具有雪崩能力和10 A以上导通电流的1200 V全垂直硅基氮化镓p-i-n二极管

1200-V Fully Vertical GaN-on-Silicon p-i-n Diodes With Avalanche Capability and High On-State Current Above 10 A

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TED.2025.10758680

作者	Youssef Hamdaoui · Sondre Michler · Adrien Bidaud · Katir Ziouche · Farid Medjdoub
期刊	IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期	2024年11月
技术分类	功率器件技术
技术标签	GaN器件
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	氮化镓硅基垂直p - i - n二极管击穿电压导通电阻

语言:

中文摘要

我们报道了击穿电压（BV）超过 1200 V 的全垂直氮化镓（GaN）-硅（Si）p-i-n 二极管。温度依赖性测量表明其具有雪崩击穿能力，这反映了高质量的加工工艺和外延生长。所制备的垂直 p-i-n 二极管的导通态特性显示，阳极直径较小时导通电阻为 0.48 mΩ·cm²，阳极直径较大（即 1 mm）时导通电阻为 1.7 mΩ·cm²。导通电阻的增加归因于散热问题。尽管如此，由于采用了优化工艺，包括作为边缘终端的深台面刻蚀以及通过聚酰亚胺钝化实现的背面厚铜层散热片（增强了薄膜的机械鲁棒性），大型器件的导通电流接近 12 A。据我们所知，这是首次展示在硅衬底上生长的全垂直 1200 V 氮化镓基器件可实现 10 A 以上的高电流运行，对应的巴利加品质因数（BFOM）为 3 GW/cm²。

English Abstract

We report on fully vertical gallium nitride (GaN)-on-silicon (Si) p-i-n diodes delivering above 1200-V soft breakdown voltage (BV). Temperature dependence measurements indicate avalanche breakdown capability reflecting the high-quality processing and epitaxy growth. The ON-state characteristics of the fabricated vertical p-i-n diodes reveal on-resistances ranging from 0.48 m cm2 for small anode to 1.7 m cm2 for large anode diameters (i.e., 1 mm). The ON-state resistance increase is attributed to the thermal dissipation issues. Nevertheless, the large devices exhibit high ON-state current close to 12 A owing to an optimized process, including a deep mesa etch as edge terminations and thick Cu layer for heat sink on the backside enabled by a polyimide passivation that strengthen the mechanical robustness of the membranes. To the best of our knowledge, this represents the first demonstration of fully vertical 1200-V GaN-based devices grown on Si substrates with high-current operation above 10 A, corresponding to a Baliga figure of merit (BFOM) of 3 GW/cm2.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项1200V全垂直GaN-on-Si p-i-n二极管技术具有重要的战略价值。该技术实现了超过1200V的软击穿电压和10A以上的大电流承载能力，这些参数恰好契合我们光伏逆变器和储能变流器的核心应用场景。

在技术价值方面，该器件展现的0.48-1.7 mΩ·cm²导通电阻和3 GW/cm² Baliga品质因数，意味着相比传统硅基器件可显著降低导通损耗。对于我们的组串式逆变器和大功率集中式逆变器产品线，这将直接提升系统效率0.5-1个百分点，在大规模电站应用中可带来可观的发电量提升。更重要的是，器件的雪崩击穿能力为系统提供了更强的浪涌保护，这对提高逆变器在复杂电网环境下的可靠性至关重要。

该技术采用硅衬底生长GaN的路径具有明显的成本优势，这与我们一贯追求的高性价比产品策略高度契合。深刻蚀台面边缘终端技术和背面厚铜散热层设计，为解决大功率器件的热管理问题提供了有效方案，这正是我们在开发高功率密度产品时面临的核心挑战。

然而需要关注的是，论文提到大尺寸器件的导通电阻因热耗散问题而上升，这表明该技术在量产和长期可靠性方面仍需验证。建议我们的研发团队与该技术团队建立联系，评估其在实际工况下的循环寿命和成本曲线，同步开展基于GaN器件的新一代拓扑结构预研，为未来3-5年的产品迭代做好技术储备。