目前，以傳統(tǒng)半導體硅（Si）為主要材料的半導體器件仍然主導著電力電子功率元件。但現(xiàn)有的硅基功率技術(shù)正接近材料的理論極限，只能提供漸進式的改進，無法滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對耐高壓、耐高溫、高頻率、高功率乃至抗輻照等特殊條件的需求。

因此，業(yè)界開始尋求新的半導體材料來滿足行業(yè)需要，期盼突破傳統(tǒng)硅的理論極限。

碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代半導體材料因具有寬禁帶、高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度等特點，成為目前功率電子材料與器件研究的熱點。

與*代、第二代半導體相比，第三代半導體材料所制備的器件具有擊穿電壓高、輸出電流大、導熱性優(yōu)異等優(yōu)點。在相同的耐壓下，可以具有更低的比導通電阻。

近日，筆者在《SiC,全民“挖坑”》一文中，介紹了平面型和溝槽型SiC MOSFET的技術(shù)特點和優(yōu)劣，以及兩種不同結(jié)構(gòu)SiC的市場進展和行業(yè)走向。溝槽型SiC MOSFET被認為是更有優(yōu)勢的技術(shù)路線和發(fā)展方向，引得行業(yè)玩家紛紛涌入，加倍下注這個新興市場。

另一邊，作為第三代半導體的又一典型代表，GaN也存在“水平型”和“垂直型”兩種技術(shù)路線并行發(fā)展的局面。其中，垂直GaN有可能克服橫向器件的擊穿電壓和電流容量限制，同時緩解一些熱問題，因此被視為下一代功率器件中一項有前途的技術(shù)。

然而，近日一家聚焦垂直GaN技術(shù)的美國初創(chuàng)新星公司NexGen Power Systems的突然倒閉，給該技術(shù)原本廣闊的行業(yè)前景平添了一絲疑慮，也再次引發(fā)了業(yè)界對垂直GaN的關注和探討。

垂直GaN，市場廣闊

目前GaN器件主要有兩種技術(shù)路線，平面型與垂直型。

平面型GaN器件通?；诜潜菊饕r底，如Si、SiC、藍寶石（Sapphire）等。早期高質(zhì)量單晶GaN襯底難以實現(xiàn)，成本比較高，只能通過非本征襯底上生長異質(zhì)外延GaN，由于襯底外延界面早期難以實現(xiàn)導通，因此硅基GaN和藍寶石基GaN器件逐漸成為了主流。

不同襯底材料特性比較

(來源：《高壓低功耗新型氮化鎵功率器件機理及結(jié)構(gòu)研究》)

硅基GaN和藍寶石基GaN雖然可以以相對較低的成本獲得GaN的高頻特性，但它們與GaN層之間需要有絕緣緩沖層，而藍寶石本身是絕緣體，所以無法垂直導通，在高頻時不適合。

總之，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，存在很多限制器件性能的因素，未能充分發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢。

因此，為了支持高電壓/大電流，在GaN襯底上生長GaN層，能夠垂直導電的“垂直GaN” GaN on GaN正在成為新的焦點。

與橫向結(jié)構(gòu)器件相比，垂直結(jié)構(gòu)GaN器件擁有更多優(yōu)勢：

（1）電流通道在體內(nèi)，不易受器件表面陷阱態(tài)的影響，動態(tài)特性較為穩(wěn)定；

（2）垂直結(jié)構(gòu)器件可在不增加器件面積的前提下通過增加漂移區(qū)厚度直接提升耐壓，因此與橫向結(jié)構(gòu)相比更易于實現(xiàn)高的擊穿電壓；

（3）電流導通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度；

（4）由于電流在器件內(nèi)部更為均勻，熱穩(wěn)定性佳；

（5）垂直結(jié)構(gòu)器件易于實現(xiàn)雪崩特性，在工業(yè)應用中優(yōu)勢明顯。

(a)平面型GaN-on-Si與(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型結(jié)構(gòu)

(來源：《高壓、高效、快速的垂直型氮化鎵功率二極管研究》)

簡而言之，與橫向GaN器件相比，垂直GaN具有更低的開關損耗和更好的雪崩魯棒性。其輸出電容較小，使得在高頻率下運行時開關損耗極小。此外，垂直GaN器件的熱量傳輸效率更高，能夠通過均質(zhì)材料直接從頂部和底部傳輸熱量，避免了橫向GaN器件中因緩沖層限制的冷卻效率問題。

近年來，隨著大尺寸、低缺陷密度GaN自支撐襯底的不斷成熟，GaN垂直結(jié)構(gòu)功率器件的研發(fā)得以取得長足的進步，為突破橫向結(jié)構(gòu)HEMT器件在高壓領域的局限性提供了可能性。

相比SiC，GaN器件此前已經(jīng)在LED照明、快充及無線充電、5G射頻通信等領域得到了大量使用。

除此之外，汽車、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心預計也將成為GaN器件未來新的增長驅(qū)動力。垂直GaN功率器件可以通過延長電動汽車的行駛里程和縮短充能時間來提高電動汽車的基本性能，預計未來將有顯著的需求增長。

同時，電網(wǎng)也是垂直結(jié)構(gòu)GaN器件的另一個潛在應用領域。特別是由于其快速的雪崩擊穿響應，垂直結(jié)構(gòu)GaN-PN二極管有望保護電網(wǎng)免受電磁脈沖（EMP）引起的快速電壓瞬變的影響。

可見，憑借諸多性能特性和優(yōu)勢，垂直型GaN有望進一步拓展在中高壓領域的應用。

根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2023全球GaN功率半導體市場分析報告》顯示，全球GaN功率元件市場規(guī)模將從2022年的1.8億美金成長到2026年的13.3億美金，復合增長率高達65%。

2022-2026年全球GaN功率半導體市場趨勢

歐美日，率先取得*身位

近年來，隨著高質(zhì)量單晶GaN襯底的商業(yè)化，垂直型GaN器件得到快速發(fā)展，并逐步由實驗室研究邁向產(chǎn)業(yè)化，將具有更大的潛力發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢并提升器件性能。

回顧產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程，據(jù)戰(zhàn)略咨詢公司KnowMade的《垂直GaN功率器件IP競爭現(xiàn)狀》報告顯示，垂直GaN功率器件的知識產(chǎn)權(quán) (IP) 開發(fā)在2000年代中期開始起步，由住友電氣、ROHM、豐田汽車等日本公司主導。

直到2012年，每年的發(fā)明數(shù)量仍然相對較低。從2013年開始，在住友電氣、豐田合成、首爾半導體和Avogy（其功率GaN專利于2017年轉(zhuǎn)讓給NexGen）的推動下，發(fā)明活動急劇增加。自2015年以來，垂直GaN功率器件的IP活動已達到平臺期，出現(xiàn)了富士電機、電裝、松下和博世等新的*創(chuàng)新者。

彼時，歐美廠商也開始加大對垂直型GaN的探索，一些知名企業(yè)也在進入這一IP領域，例如2020年imec與根特大學合作，旨在開發(fā)半垂直和垂直GaN功率器件。與此同時，imec 開發(fā)了一種共同集成垂直GaN功率二極管和晶體管的方法。

自2019年以來，包括CEA在內(nèi)的其他歐洲主要研究機構(gòu)也恢復了該領域的知識產(chǎn)權(quán)活動。有法國研究組織一直與CNRS合作開發(fā)新型垂直GaN功率器件，并于2022年發(fā)布了另外兩項發(fā)明，描述垂直GaN FET和二極管。

博世自2012年以來也開發(fā)了此類垂直設備，2014年公開*份專利，然而直到2019年博世才活躍在這一領域，2021年加快了垂直功率GaN技術(shù)的IP戰(zhàn)略，擁有超過15個新專利族發(fā)明。

在美國，由康奈爾大學研究人員Rick Brown和James Shealy于2019年創(chuàng)立的初創(chuàng)公司Odyssey Semiconductor于2022年進入垂直功率GaN器件專利領域。

能看到，依托在半導體領域的技術(shù)積累和優(yōu)勢，經(jīng)過數(shù)年在垂直型GaN功率器件領域的研發(fā)投入，以美國、日本、歐洲為代表的國家和地區(qū)取得了豐碩成果，已成功研制出多種垂直型GaN功率晶體管與功率二極管。

近段時間來也在相繼發(fā)布創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)動態(tài)。

NexGen：科技新星，突然倒閉

2017年Avogy破產(chǎn)后，其首席執(zhí)行官Dinesh Ramanathan創(chuàng)立了一家初創(chuàng)公司NexGen Power Systems，該公司收購了Avogy的功率GaN專利。2021 年，NexGen開始在該領域開展自己的專利活動。

2023年初，NexGen開始交付用于高功率應用的全球首批700V和1200V垂直GaN器件的工程樣品。據(jù)介紹，其1200V垂直GaN e模式Fin-jFET是*已成功演示1.4kV額定電壓下高頻開關的寬帶隙器件。這些設備預計將于2023年第三季度開始全面生產(chǎn)。

NexGen首席執(zhí)行官Shahin Sharifzadeh表示：“沒有其他半導體器件可以與NexGen Vertical GaN提供的性能特征相匹配，我們非常自豪能夠成為*家從紐約州錫拉丘茲工廠提供使用垂直GaN的700V和1200V器件生產(chǎn)樣品的GaN技術(shù)?！?/p>

NexGen的半導體將使客戶能夠開發(fā)出使用硅、碳化硅或硅基氮化鎵技術(shù)無法實現(xiàn)的電源解決方案。2023年6月，NexGen又宣布與GM通用汽車的合作項目獲得美國能源部(DoE)的資助，所獲資金計劃用于垂直氮化鎵半導體的電動驅(qū)動系統(tǒng)，而與通用合作，有望推進垂直GaN器件的上車進程。

然而，就在其發(fā)展如火如荼的勢頭下，近日有媒體消息報出，總投資超過10億元的GaN企業(yè)NexGen已宣布破產(chǎn)倒閉，旗下總投資超過1億美元的晶圓廠也已關閉。據(jù)披露，倒閉的原因是難以獲得風險融資，公司運營已經(jīng)舉步維艱。

OKI&信越化學：垂直GaN技術(shù)新突破

前不久，沖電氣工業(yè)株式會社（OKI）與信越化學宣布成功開發(fā)出一種技術(shù)，該技術(shù)使用OKI的CFB（晶體薄膜鍵合）技術(shù)，從信越化學特殊改進的QST（Qromis襯底技術(shù)）基板上僅剝離GaN功能層，并將其粘合到不同材料的基材上。

該技術(shù)實現(xiàn)了GaN的垂直導電，有望將制造成本降至傳統(tǒng)制造成本的10%，同時為可控制大電流的垂直GaN功率器件的制造和商業(yè)化做出貢獻。

同時，針對目前限制垂直GaN功率器件大規(guī)模普及的兩點因素：受晶圓直徑限制的生產(chǎn)率；不能在大電流下實現(xiàn)垂直導電。

OKI和信越化學也提出了解決方案。

針對晶圓方面，信越化學的QST基板是專門為GaN外延生長而開發(fā)的復合材料基板，以“CTE 匹配核心”為中心，核心是一個陶瓷（主要是氮化鋁）核心，其熱膨脹系數(shù)與GaN相當，可以抑制翹曲和裂紋，從而可以外延生長大直徑、高質(zhì)量的厚膜GaN。這一特性使得即便在大于8英寸的晶圓上也能夠生長具有高擊穿電壓的厚GaN薄膜，解除晶圓直徑的限制。

據(jù)了解，信越化學已經(jīng)實現(xiàn)了20μm以上的高質(zhì)量GaN外延生長。“通過使用多種技術(shù)，我們已經(jīng)實現(xiàn)了約5 x 106的缺陷密度。換句話說，可以將缺陷密度降低到普通硅基GaN的約1/1000?！?/p>

另一方面，OKI的CFB技術(shù)可從各種基材上剝離功能層，并利用分子間力將其粘合到不同材料制成的基材上。其最初是為了減小公司打印機中安裝的打印頭 LED 陣列的尺寸和成本而開發(fā)的。具體而言，將由化合物半導體制成的LED晶體薄膜剝離并直接粘合到由硅制成的驅(qū)動IC上。

2022年7月左右，OKI偶然發(fā)現(xiàn)了信越化學的QST襯底上的GaN，這導致了結(jié)合QST襯底和CFB技術(shù)的新技術(shù)的開發(fā)。OKI的CFB技術(shù)可以從QST襯底上僅剝離GaN功能層，同時保持高器件特性。GaN晶體生長所需的絕緣緩沖層可以被去除并通過允許歐姆接觸的金屬電極接合到各種襯底上。將這些功能層粘合到具有高散熱性的導電基板上將實現(xiàn)高散熱性和垂直導電性。

OKI和信越化學的聯(lián)合技術(shù)解決了上述兩大挑戰(zhàn)，為垂直GaN功率器件的社會化鋪平了道路。

Odyssey：革命性創(chuàng)新

在垂直GaN玩家中，美國Odyssey公司開發(fā)了一種革命性的方法來在GaN中實現(xiàn)區(qū)域選擇性摻雜區(qū)域，為實現(xiàn)垂直傳導器件打開了大門。

其宣布完成650V以及1200V兩種耐壓等級GaN垂直結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應晶體管器件的產(chǎn)品化開發(fā)，說明垂直結(jié)構(gòu)GaN功率電子器件已經(jīng)做好了邁入市場的前期準備。

據(jù)了解，Odyssey公司正在利用高質(zhì)量的塊狀GaN晶圓作為其專有的垂直傳導功率開關晶體管的襯底，這些襯底允許生長額定電壓高于1000V的晶體管所需的低缺陷密度器件層。

按照他們的說法，在Si上生長的GaN，缺陷密度為108-1010cm2，這些缺陷會影響器件的高壓操作可靠性。因此，市場上沒有額定電壓高于900V的GaN HEMT的商業(yè)化發(fā)布，大多數(shù)僅限于650V。而Odyssey的革命性方法使得在GaN襯底上生長的垂直傳導GaN器件每單位面積減少了約1000-10000個缺陷，這將允許在高達10000V及以上的電壓下可靠運行。盡管GaN襯底更昂貴，但相比SiC，GaN器件所需要的晶圓尺寸要小得多，這使得它們相對于具有相似額定值的SiC器件在生產(chǎn)方面具有競爭力。

據(jù)悉，Odyssey的垂直GaN產(chǎn)品樣品制作完成，包括工作電壓為650V和1200V兩種，于2023年*季度開始向客戶發(fā)貨。650V部分是當今更大的市場，預計將以20%的復合年增長率增長,1200V產(chǎn)品細分市場預計將以63%的復合年增長率更快地增長，并將在2030年左右成為更大的市場。Odyssey公司的目標是完全取代目前由SiC服務的更高功率器件市場。

YESvGaN項目：垂直GaN薄膜晶體管

另一個對垂直GaN感興趣的是歐洲財團在2021年所發(fā)起的YESvGaN項目，研究一種新型垂直GaN功率晶體管，該晶體管以與硅相當?shù)某杀緦崿F(xiàn)垂直WGB晶體管的性能。

在功率半導體領域，歐洲一直是具備深厚的基礎和技術(shù)積累。YESvGaN聯(lián)盟是博世、意法半導體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企業(yè)和德國研究機構(gòu)Fraunhofer IISB、Ferdinand Braun Institute、比利時根特大學、西班牙瓦倫西亞大學等分布在7個國家設立據(jù)點的23家公司/組織組成，由歐盟的研究開發(fā)項目“ECSEL”JU”以及歐洲各國提供的資金。

該研究正朝著實現(xiàn)兩種垂直特性的方向進行，同時獲得在硅或藍寶石襯底上異質(zhì)外延生長GaN的成本優(yōu)勢。

之所以不能采用GaN on Silicon，首先是因為它需要絕緣緩沖層，藍寶石本身也是絕緣體。因此，該項目正在著手開發(fā)一種“垂直GaN薄膜晶體管”，它在GaN生長后去除器件區(qū)域正下方的緩沖層、硅和藍寶石襯底本身，并從背面直接連接到GaN層金屬觸點。目標是使用*300mm的硅或藍寶石晶圓實現(xiàn)耐壓為650V-1200V級的縱型GaN功率晶體管。據(jù)稱這種方式可以兼顧低成本和高耐壓。

下圖顯示了YESvGaN的一些主要研究步驟和所要進行的工作，主要包括：

為實現(xiàn)650V-1200V級別，在*300mm的硅/藍寶石襯底上實現(xiàn)厚漂移層外延生長的技術(shù)開發(fā)；

*1200V/100A導通電阻4mΩcm2垂直GaN功率晶體管的開發(fā)及與硅IGBT成本相同的工藝技術(shù)；

通過干法蝕刻去除硅襯底和緩沖層，通過激光剝離形成藍寶石襯底的抬高和沉降接觸，以及通過先進的接合和泥帶實現(xiàn)背面功率元化固定技術(shù)；

對功率晶體管組件和互連技術(shù)的開發(fā)，還有相應的可靠性特性評估；

為開發(fā)的功率晶體管創(chuàng)建數(shù)據(jù)表并在多個應用演示機中演示系統(tǒng)效率改進。

在PCIM Europe 2023上，博世展示了其YESvGaN項目的進展，博世已經(jīng)實現(xiàn)在硅和藍寶石上生長了二極管擊穿電壓超過500V的堆疊層，并在150mm GaN on Silicon晶圓上去除了硅，形成了4μm厚、*直徑為5mm的GaN薄膜。不過博世還沒有到最終晶體管完成的階段，目前正在圍繞著驗證技術(shù)是否可行進行大量的研究。如果該技術(shù)得以實現(xiàn)，將有望加速垂直GaN的量產(chǎn)化。

除此之外，比利時的研究實驗室imec在200毫米晶圓上展示了突破性的GaN工藝，它與Aixtron的設備合作，imec已經(jīng)證明了GaN緩沖層的外延生長，可用于200mm QST襯底上的1200V橫向晶體管應用，硬擊穿電壓超過1800V。

總之，垂直GaN的研發(fā)是目前行業(yè)的一大努力方向，美歐日等國家和地區(qū)的這些企業(yè)和機構(gòu)正在努力發(fā)揮和挖掘GaN在大電壓下的潛力。

2000年以來推動垂直GaN功率器件相關發(fā)明活動的主要參與者（圖源：KnowMade）

垂直GaN技術(shù)，中國躍躍欲試

反觀中國市場，2017年，中國科技部也啟動了“第三代半導體的襯底制備及同質(zhì)外延”重點研發(fā)計劃以推動GaN單晶襯底和垂直型GaN功率器件的發(fā)展。

相比之下，中國在垂直型GaN器件方向的研究起步較晚，技術(shù)儲備較弱，和國外存在差距。目前僅有北京大學、浙江大學、深圳大學、中鎵科技、中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等少數(shù)幾家單位成功研制垂直型GaN功率器件，且主要為垂直型GaN-on-GaN功率二極管。

由于功率二極管結(jié)構(gòu)及工藝相對簡單，且作為電力電子電路中不可或缺的基礎器件，非常適宜在新型垂直型GaN-on-GaN器件發(fā)展的初期作為工藝開發(fā)、技術(shù)探索與機制分析的主要研究對象。

在性能上，新型垂直結(jié)構(gòu)GaN-on-GaN功率二極管能夠從根本上突破傳統(tǒng)平面型GaN-on-Si器件在擊穿電壓、動態(tài)導通性能等方面的限制，更大程度地發(fā)揮GaN材料本身的優(yōu)勢，有望成為高壓、高效、快速的電力電子系統(tǒng)發(fā)展的新方向，尤其是當前高質(zhì)量本征GaN襯底技術(shù)的日趨成熟將有望為這一領域開啟新的篇章。

而近期，KnowMade機構(gòu)在研究垂直GaN器件技術(shù)的專利現(xiàn)狀時指出，近年來中國在垂直GaN發(fā)明活動方面正在逐漸取代日本處于*地位。

其中，以西安電子科技大學和電子科技大學為首的研究機構(gòu)領導的中國玩家似乎在發(fā)明活動方面處于*地位，自2020年以來逐漸地超越日本玩家。

2001-2022年垂直GaN功率器件相關專利出版物的時間演變趨勢（圖源：KnowMade）

據(jù)了解，垂直GaN領域的大多數(shù)IP新人來自中國。

2019年以來進入專利領域的主要知識產(chǎn)權(quán)新來者是山東大學、西安交通大學等中國研究機構(gòu)和企業(yè)，其中之一是初創(chuàng)公司聚力成半導體（GLC Semiconductor），專注于GaN外延片的研發(fā)和生產(chǎn)。該公司在2020年披露了多項與垂直GaN FET結(jié)構(gòu)相關的發(fā)明，與大多數(shù)中國企業(yè)僅在中國尋求發(fā)明保護不同，GLC除了中國大陸之外，還成功在美國和中國臺灣提交了多項專利申請。

此外，主要的GaN單晶襯底供應商包括有國內(nèi)的納維科技、吳越半導體、中鎵半導體、鎵特半導體等。

蘇州納維在2017年率先推出4英寸GaN單晶襯底，并且還表示突破了6英寸的關鍵核心技術(shù)；2018年2月，東莞中稼半導體宣布，在國內(nèi)首次試產(chǎn)4英寸自支撐GaN襯底，并在2019年10月發(fā)售4英寸自支撐氮化鎵襯底；2020年3月，鎵特半導體宣布開發(fā)出4英寸摻碳半絕緣GaN晶圓片，并表示“鎵特是家，也是一家生產(chǎn)4英寸半絕緣氮化鎵晶圓片的公司”。

同時，上述中國大學也在將重點放在中國以保護其發(fā)明，以及在快速發(fā)展的功率SiC產(chǎn)業(yè)中，高校和科研院校在通過合作、專利轉(zhuǎn)讓等方式推動國內(nèi)新企業(yè)的出現(xiàn)。

根據(jù)目前的IP趨勢，中國可能很快就會成為垂直GaN專利最活躍的市場。

綜合來看，目前美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)已研制出多種垂直型GaN器件，部分企業(yè)實現(xiàn)小批量供貨。我國垂直型GaN器件研發(fā)起步晚，在技術(shù)、理論、工藝等方面與國外相比仍存在差距，但追趕速度正在快速提升。

歷經(jīng)20年創(chuàng)新，垂直GaN技術(shù)IP競賽才剛剛開始。KnowMade在報告中指出，“盡管自2000年代以來已經(jīng)申請了1000多個專利族來涵蓋垂直GaN技術(shù)的發(fā)展，但迄今為止IP競爭一直非常溫和。然而，事實上，目前包括現(xiàn)有汽車公司在內(nèi)的一些參與者仍在投資垂直GaN技術(shù)，一些成熟的知識產(chǎn)權(quán)參與者（富士電機、豐田汽車）和相對較新的知識產(chǎn)權(quán)參與者（電裝、博世）正在加速其專利申請。因此，垂直GaN專利格局預計在未來十年內(nèi)競爭將變得越來越激烈?！?/p>

隨著垂直GaN技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，行業(yè)廠商將致力于為垂直GaN功率器件的工業(yè)化和商業(yè)化做好準備，迎接新的市場機遇。

寫在最后

受市場前景吸引，垂直GaN行業(yè)風起云涌，正在迎來新發(fā)展。

但需要注意的是，作為電力電子技術(shù)的一個新興研究熱點，垂直型GaN-on-GaN功率器件的發(fā)展和相關研究尚處于起步階段，仍然存在諸多關鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，直徑小，尺寸僅為2至4英寸；GaN晶圓價格昂貴等，都是行業(yè)亟待解決的新挑戰(zhàn)。

未來，隨著研究不斷深入、技術(shù)突破，垂直型GaN器件市場將迎來廣闊發(fā)展前景。在這個過程中，國內(nèi)外廠商都在勵兵秣馬，力爭在這個競爭激烈的市場尋到自己的一片天空。

審核編輯：劉清