1萬(wàn)伏！豐田GaN新技術(shù)明年量產(chǎn)

2024-03-26 15:28:15 量伙Z 423

2月13日，據(jù)日本媒體報(bào)道，豐田合成已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種可以承受10000V或更高電壓的氮化鎵器件，預(yù)計(jì)2024年將會(huì)量產(chǎn)，目標(biāo)應(yīng)用包括汽車(chē)OBC，甚至是直流微電網(wǎng)。

此前報(bào)道提到，豐田合成這項(xiàng)氮化鎵技術(shù)采用了全新結(jié)構(gòu)——極性超結(jié)（PSJ）GaN FET(.鏈接.)。今天，我們來(lái)分析一下這項(xiàng)技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的，以及它的最新進(jìn)展。

豐田極性超結(jié)氮化鎵

擊穿電壓高達(dá)1萬(wàn)伏

如今市面上基于HEMT結(jié)構(gòu)的橫向GaN功率器件的擊穿電壓普遍為650V左右，難以達(dá)到汽車(chē)等大功率器件應(yīng)用需求。

據(jù)日經(jīng)XTECH報(bào)道，豐田合成聯(lián)合Powdec公司開(kāi)發(fā)了基于極性超結(jié)（PSJ）的GaN FET產(chǎn)品，該結(jié)構(gòu)不僅具有二維電子氣（2DEG），還有二維空穴氣（2DHG），因此既可以實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)操作，又可以實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而解決了傳統(tǒng)GaN HEMT電場(chǎng)集中的難題。

據(jù)介紹，豐田合成的PSJ-GaN FET開(kāi)關(guān)頻率顯著高于SiC MOSFET（上限數(shù)百 kHz）和 Si IGBT（幾十 kHz），同時(shí)擊穿電壓等于或高于 SiC 器件；兩家公司已證明，PSJ-GaN功率晶體管可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)10000V 的擊穿耐壓，單顆PSJ GaN FET 的功率容量上限可達(dá)約10 kW。

襯底改用氮化鎵

性能再次得到提升

早在2016年，Powdec就已成功在藍(lán)寶石襯底上制造出具有 1200V 額定電壓和小于100 mΩ導(dǎo)通電阻的GaN PSJ氮化鎵器件。

Powdec當(dāng)時(shí)表示，常見(jiàn)的GaN功率器件是在Si(111) 襯底上實(shí)現(xiàn)的，額定電壓為600V的器件所需的氮化層厚度通常為 5μm 或更厚，而他們的PSJ器件即使氮化層厚度薄至1μm，器件的擊穿電壓也能夠高達(dá)6000V。

不過(guò)，豐田合成表示，由于藍(lán)寶石襯底通常是應(yīng)用在LED，存在較多的晶體缺陷，因此在最近開(kāi)發(fā)的器件中，豐田合成正在采用高質(zhì)量 GaN on GaN 襯底，來(lái)制作 PSJ 結(jié)構(gòu)氮化鎵器件。

該公司表示，采用氮化鎵襯底可使薄層電阻降低約40%、可處理更大的電流；同時(shí)可將2DEG的遷移率提高約1.5倍，將2DHG的遷移率提高約2倍。

將用于微電網(wǎng)

GaN模塊產(chǎn)品明年量產(chǎn)

今年1月份，POWDEC宣布已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于PSJ氮化鎵的8kW功率模塊，該模塊的開(kāi)關(guān)速度是硅產(chǎn)品的100倍左右，而且與普通氮化鎵產(chǎn)品相比，該模塊可耐受2倍以上的高電壓。

POWDEC未來(lái)打算開(kāi)發(fā)可耐受更高的800伏電壓的產(chǎn)品，目標(biāo)是在2024年之前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。POWDEC社長(zhǎng)成井啟修表示：“如果推進(jìn)元件的優(yōu)化，還可以使控制速度提高數(shù)十倍”。

而據(jù)豐田合成介紹，他們正在參與日本政府的節(jié)能化項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)基于PSJ結(jié)構(gòu)的GaN FET的直流微電網(wǎng)高效功率調(diào)節(jié)器。

預(yù)計(jì)到2024年，他們將開(kāi)發(fā)出耐壓1500V以上、電流25A以上的器件，實(shí)現(xiàn)最大效率98%以上、輕量化70%以上的功率調(diào)節(jié)器目標(biāo)。

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