国产器件突破1700V，功率GaN拓展更多应用

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）GaN器件已经在消费电子领域站稳脚跟，而在消费电子之外，电源产品还有很多较大的应用市场，包括光伏逆变器、服务器电源、汽车领域等。而新能源汽车作为目前规模增长最快的市场之一，SiC已经成功导入电动汽车产品，并实现大批量落地。
 
与SiC同为第三代半导体的GaN，在材料特性，器件的特性上都有很多相同之处，甚至在成本以及高频应用中，GaN功率器件相比SiC还有一定优势，所以各大功率GaN厂商都在积极布局汽车应用。
 
不过目前功率SiC主要被用于800V高压平台的车型中，包括牵引逆变器、空调压缩机等要用到耐压值1200V的器件。但此前GaN在消费电子领域大多产品在650V或以下，如果想要在汽车领域得到更广泛的应用，就需要更高耐压值的GaN器件。
 
GaN HEMT器件突破1700V，拓展高压应用
 
在目前电动汽车高压系统的趋势下，一般母线电压为800V的系统中，需要用到1200V耐压的功率器件。而随着电池包技术发展，以及快充、低能耗的需求，一些车型的电池包电压已经高达900V，出现1000V电压级别的车型也只是时间问题。
 
而1000V电压的电路中，可能会产生1300V或以上的瞬时电压，所以这个时候就需要1700V耐压的器件。而目前市面上SiC功率器件已经有很多耐压1700V的产品，还有一些超高压产品耐压达到3300V以上。
 
最近，国内GaN领域也出现了一款1700V GaN HEMTs器件。致能科技团队与西安电子科技大学广州研究院/广州第三代半导体创新中心郝跃院士、张进成教授团队等合作攻关，采用致能科技的薄缓冲层AlGaN/GaN外延片，基于广州第三代半导体创新中心中试平台，成功在6英寸蓝宝石衬底上实现了1700V GaN HEMTs器件。相关研究成果于2024年1月发表于IEEE Electron Device Letters期刊。
 

来源：IEEE Electron Device Letters

广东致能团队通过MOCVD方法在6英寸蓝宝石衬底上外延出包括1.5μm薄层缓冲层和AlGaN/GaN异质结结构，这种技术可以显著减低外延和加工的难度。使用其外延片制备的GaN HEMTs器件具有超过3000 V的高阻断电压和17Ω·mm的低导通电阻，并通过1700 V的长期HTRB应力初步验证了其鲁棒性。
 
而从目前市面上主流的650V GaN器件发展到1700V ，能够令GaN拓展到更多领域，除了电动汽车之外，在工业、光伏、储能等领域都会有更大的应用空间。
 
目前多家厂商已经推出900V及以上功率GaN
 
近几年，为了满足更多市场的需求，拓展应用领域，功率GaN产品的规格也越来越丰富，众多厂商在高压应用上推出量产产品。
 
刚刚被瑞萨收购的GaN厂商Transphorm，在2017年推出了第一款900V GaN产品，并且在2022年的国际功率半导体器件和集成电路研讨会（ISPSD）上展示了1200V GaN器件。Transphorm当时表示，市场上可买到的高功率GaN晶体管的电压范围通常为600V至650V，只有Transphorm能够提供900V GaN器件。
 
而在2023年，Transphorm公布了其1200V功率GaN器件的仿真模型和初步数据，这款产品基于蓝宝石基氮化镓外延片制造，拥有70mΩ的导通电阻、±20 Vmax栅极稳健性、低 4V栅极驱动噪声抗扰度、零QRR和3引脚TO-247封装。
 
PI（Power Integrations）去年也推出了900V PowiGaN器件，并在不久之后又推出了1250V的PowiGaN器件。据测试，1250V的PowiGaN开关方案，其效率要比650V的硅开关方案高出1%，其损耗也比传统的硅开关方案减少近一半左右。同时还具有同步整流和FluxLink安全隔离反馈功能，可以稳定输出电压和电流，能够用于1000V峰值工作电压的应用中。
 
国内镓未来也已经推出了900V的GaN器件，并已经实现量产，支持TO-252-3L、TO-252、TO-220三种封装，有R_DS(ON)990mΩ/450mΩ/270mΩ等规格。
 
镓宏半导体官网显示目前已推出了GSR900D035系列 900V、50mΩGaN FET，能够用于工业、光伏逆变器、伺服电机等应用。
 
华润微旗下专注三代半的厂商润新微（前为芯冠科技）早在2022年就推出了900V的硅基氮化镓系列产品，目前公司官网显示提供TO-220封装，RDS_(ON)540mΩ/270mΩ/220mΩ/150mΩ规格的900V GaN功率器件。
 
去年国内900V GaN产业链也有不少新的厂商取得突破，比如聚能晶源研制出了高栅压GaN增强型外延技术和900V高耐压GaN-on-Si外延技术；长平时代发布用于车载电子的6英寸900V硅基GaN外延片；湖南三安完成了900V 硅基氮化镓功率器件的开发，并已导入到客户产品设计和系统验证。
 
小结：
 
随着更多高压GaN器件的出现，也将会大大拓展GaN的应用领域。未来GaN功率器件将会出现在更多比如工业、光伏、储能、电动汽车主驱等应用场景中。