GaN器件之全面介绍

今天这篇，从材料、历史、结构、应用和竞争五个方面，对GaN器件做一全面总结，4000字长文预警。

（1）GaN器件简介：

从器件结构看，GaN器件分为横向（Lateral）、纵向（Vertical）两种，

可以简单认为，横向器件的电流流动限于半导体材料表面，纵向器件的电流流动穿透整块半导体材料，

结果是，纵向器件的击穿电压更高，可应用于更高耐压级别。

目前商用GaN器件均为横向器件，纵向GaN器件基本仍处于实验室阶段。

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这是几种常见的SiC器件、GaN器件，

（a）、（b）、（c）依次为平面型SiC MOSFET、沟槽型SiC MOSFET以及SiC JFET，

（d）、（e）均为GaN HEMT，

注意5张图中的电极，SiC器件和GaN器件，G、D、S的位置，有重大差异，

三种SiC器件，漏极D在最下方，栅极G、源极S在最上方，

而两种GaN器件，G、D、S均在最上方，

简言之，横向器件的G、D、S均在最上方，纵向器件的G、S在最上方，D在最下方，这是核心差异。

具体到GaN器件，横向、纵向有何差异？

纵向GaN功率器件最早由加州大学圣塔芭芭拉分校于2002年实现，2008年制备出高压器件，目前日美研究机构正在积极推进该类器件的研发，

随着GaN衬底价格的下降，纵向GaN器件的应用场景将逐渐增多。

纵向GaN器件一大优势在于，器件内部电场分布更均匀，其工作电场强度更接近击穿电场理论极限。

传统观点认为，GaN器件欲进军1200V耐压市场，只能依靠纵向结构。

因为横向GaN器件市场建立在硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术之上，Si衬底成本低、尺寸大，是规模化生产的自然选择，

但在高压下，导电硅衬底使器件漏极和衬底之间容易发生击穿，从而限制横向GaN器件的耐压能力。

但2022年瑞萨（Renesas）提供了一种方案，可通过横向器件实现1200V耐压。

即，于蓝宝石衬底之上外延生长氮化镓材料（GaN-on-sapphire），制备GaN HEMT，

蓝宝石的绝缘特性消除了漏极与衬底之间的击穿问题，使其能实现1200V耐压，

另一巧妙之处在于，相比纵向器件，横向器件的芯片面积更大（因为要靠水平方向扩展的漂移区承担耐压），这本是横向器件的劣势，

但在GaN-on-sapphire中，这反而成为优势——大芯片面积可缓解蓝宝石高热阻率导致的散热困难问题。

GaN-on-sapphire方案保留了横向HEMT固有的二维电子气高迁移率，从而具有低存储电荷、高速开关之能力，