目前，以传统半导体硅（Si）为主要材料的半导体器件仍然主导着电力电子功率元件。但现有的硅基功率技术正接近材料的理论极限，只能提供渐进式的改进，无法满足现代电子技术对耐高压、耐高温、高频率、高功率乃至抗辐照等特殊条件的需求。
因此，业界开始寻求新的半导体材料来满足行业需要，期盼突破传统硅的理论极限。
碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等第三代半导体材料因具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度等特点，成为目前功率电子材料与器件研究的热点。
与第一代、第二代半导体相比，第三代半导体材料所制备的器件具有击穿电压高、输出电流大、导热性优异等优点。在相同的耐压下，可以具有更低的比导通电阻。
近日，笔者在《SiC，全民“挖坑”》一文中，介绍了平面型和沟槽型SiC MOSFET的技术特点和优劣，以及两种不同结构SiC的市场进展和行业走向。沟槽型SiC MOSFET被认为是更有优势的技术路线和发展方向，引得行业玩家纷纷涌入，加倍下注这个新兴市场。
另一边，作为第三代半导体的又一典型代表，GaN也存在“水平型”和“垂直型”两种技术路线并行发展的局面。其中，垂直GaN有可能克服横向器件的击穿电压和电流容量限制，同时缓解一些热问题，因此被视为下一代功率器件中一项有前途的技术。
然而，近日一家聚焦垂直GaN技术的美国初创新星公司NexGen Power Systems的突然倒闭，给该技术原本广阔的行业前景平添了一丝疑虑，也再次引发了业界对垂直GaN的关注和探讨。
一、垂直GaN，市场广阔
目前GaN器件主要有两种技术路线，平面型与垂直型。
平面型GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等。早期高质量单晶GaN衬底难以实现，成本比较高，只能通过非本征衬底上生长异质外延GaN，由于衬底外延界面早期难以实现导通，因此硅基GaN和蓝宝石基GaN器件逐渐成为了主流。
不同衬底材料特性比较（来源：《高压低功耗新型氮化镓功率器件机理及结构研究》）
硅基GaN和蓝宝石基GaN虽然可以以相对较低的成本获得GaN的高频特性，但它们与GaN层之间需要有绝缘缓冲层，而蓝宝石本身是绝缘体，所以无法垂直导通，在高频时不适合。
总之，由于结构的特殊性，存在很多限制器件性能的因素，未能充分发挥GaN材料的优势。
因此，为了支持高电压/大电流，在GaN衬底上生长GaN层，能够垂直导电的“垂直GaN” GaN on GaN正在成为新的焦点。
与横向结构器件相比，垂直结构GaN器件拥有更多优势：
1. 电流通道在体内，不易受器件表面陷阱态的影响，动态特性较为稳定；
2. 垂直结构器件可在不增加器件面积的前提下通过增加漂移区厚度直接提升耐压，因此与横向结构相比更易于实现高的击穿电压；
3. 电流导通路径的面积大，可以承受较高的电流密度；
4. 由于电流在器件内部更为均匀，热稳定性佳；
5. 垂直结构器件易于实现雪崩特性，在工业应用中优势明显。
(a)平面型GaN-on-Si与(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型结构
（来源：《高压、高效、快速的垂直型氮化镓功率二极管研究》）
简而言之，与横向GaN器件相比，垂直GaN具有更低的开关损耗和更好的雪崩鲁棒性。其输出电容较小，使得在高频率下运行时开关损耗极小。此外，垂直GaN器件的热量传输效率更高，能够通过均质材料直接从顶部和底部传输热量，避免了横向GaN器件中因缓冲层限制的冷却效率问题。
近年来，随着大尺寸、低缺陷密度GaN自支撑衬底的不断成熟，GaN垂直结构功率器件的研发得以取得长足的进步，为突破横向结构HEMT器件在高压领域的局限性提供了可能性。
相比SiC，GaN器件此前已经在LED照明、快充及无线充电、5G射频通信等领域得到了大量使用。
除此之外，汽车、工业和数据中心预计也将成为GaN器件未来新的增长驱动力。垂直GaN功率器件可以通过延长电动汽车的行驶里程和缩短充能时间来提高电动汽车的基本性能，预计未来将有显著的需求增长。
同时，电网也是垂直结构GaN器件的另一个潜在应用领域。特别是由于其快速的雪崩击穿响应，垂直结构GaN-PN二极管有望保护电网免受电磁脉冲（EMP）引起的快速电压瞬变的影响。
可见，凭借诸多性能特性和优势，垂直型GaN有望进一步拓展在中高压领域的应用。
根据TrendForce集邦咨询《2023全球GaN功率半导体市场分析报告》显示，全球GaN功率元件市场规模将从2022年的1.8亿美金成长到2026年的13.3亿美金，复合增长率高达65%。
2022-2026年全球GaN功率半导体市场趋势
二、欧美日，率先取得领先身位
近年来，随着高质量单晶GaN衬底的商业化，垂直型GaN器件得到快速发展，并逐步由实验室研究迈向产业化，将具有更大的潜力发挥GaN材料的优势并提升器件性能。
回顾产业发展历程，据战略咨询公司KnowMade的《垂直GaN功率器件IP竞争现状》报告显示，垂直GaN功率器件的知识产权 (IP) 开发在2000年代中期开始起步，由住友电气、ROHM、丰田汽车等日本公司主导。
直到2012年，每年的发明数量仍然相对较低。从2013年开始，在住友电气、丰田合成、首尔半导体和Avogy（其功率GaN专利于2017年转让给NexGen）的推动下，发明活动急剧增加。自2015年以来，垂直GaN功率器件的IP活动已达到平台期，出现了富士电机、电装、松下和博世等新的领先创新者。
彼时，欧美厂商也开始加大对垂直型GaN的探索，一些知名企业也在进入这一IP领域，例如2020年imec与根特大学合作，旨在开发半垂直和垂直GaN功率器件。与此同时，imec 开发了一种共同集成垂直GaN功率二极管和晶体管的方法。
自2019年以来，包括CEA在内的其他欧洲主要研究机构也恢复了该领域的知识产权活动。有法国研究组织一直与CNRS合作开发新型垂直GaN功率器件，并于2022年发布了另外两项发明，描述垂直GaN FET和二极管。
博世自2012年以来也开发了此类垂直设备，2014年公开第一份专利，然而直到2019年博世才活跃在这一领域，2021年加快了垂直功率GaN技术的IP战略，拥有超过15个新专利族发明。
在美国，由康奈尔大学研究人员Rick Brown和James Shealy于2019年创立的初创公司Odyssey Semiconductor于2022年进入垂直功率GaN器件专利领域。
能看到，依托在半导体领域的技术积累和优势，经过数年在垂直型GaN功率器件领域的研发投入，以美国、日本、欧洲为代表的国家和地区取得了丰硕成果，已成功研制出多种垂直型GaN功率晶体管与功率二极管。
近段时间来也在相继发布创新产品和技术动态。
NexGen：科技新星，突然倒闭
2017年Avogy破产后，其首席执行官Dinesh Ramanathan创立了一家初创公司NexGen Power Systems，该公司收购了Avogy的功率GaN专利。2021 年，NexGen开始在该领域开展自己的专利活动。
2023年初，NexGen开始交付用于高功率应用的全球首批700V和1200V垂直GaN器件的工程样品。据介绍，其1200V垂直GaN e模式Fin-jFET是唯一已成功演示1.4kV额定电压下高频开关的宽带隙器件。这些设备预计将于2023年第三季度开始全面生产。
NexGen首席执行官Shahin Sharifzadeh表示：“没有其他半导体器件可以与NexGen Vertical GaN提供的性能特征相匹配，我们非常自豪能够成为第一家从纽约州锡拉丘兹工厂提供使用垂直GaN的700V和1200V器件生产样品的GaN技术。”
NexGen的半导体将使客户能够开发出使用硅、碳化硅或硅基氮化镓技术无法实现的电源解决方案。2023年6月，NexGen又宣布与GM通用汽车的合作项目获得美国能源部（DoE）的资助，所获资金计划用于垂直氮化镓半导体的电动驱动系统，而与通用合作，有望推进垂直GaN器件的上车进程。
然而，就在其发展如火如荼的势头下，近日有媒体消息报出，总投资超过10亿元的GaN企业NexGen已宣布破产倒闭，旗下总投资超过1亿美元的晶圆厂也已关闭。据披露，倒闭的原因是难以获得风险融资，公司运营已经举步维艰。
OKI&信越化学：垂直GaN技术新突破
前不久，冲电气工业株式会社（OKI）与信越化学宣布成功开发出一种技术，该技术使用OKI的CFB（晶体薄膜键合）技术，从信越化学特殊改进的QST（Qromis衬底技术）基板上仅剥离GaN功能层，并将其粘合到不同材料的基材上。
该技术实现了GaN的垂直导电，有望将制造成本降至传统制造成本的10%，同时为可控制大电流的垂直GaN功率器件的制造和商业化做出贡献。
同时，针对目前限制垂直GaN功率器件大规模普及的两点因素：受晶圆直径限制的生产率；不能在大电流下实现垂直导电。
OKI和信越化学也提出了解决方案。
针对晶圆方面，信越化学的QST基板是专门为GaN外延生长而开发的复合材料基板，以“CTE 匹配核心”为中心，核心是一个陶瓷（主要是氮化铝）核心，其热膨胀系数与GaN相当，可以抑制翘曲和裂纹，从而可以外延生长大直径、高质量的厚膜GaN。这一特性使得即便在大于8英寸的晶圆上也能够生长具有高击穿电压的厚GaN薄膜，解除晶圆直径的限制。
据了解，信越化学已经实现了20μm以上的高质量GaN外延生长。“通过使用多种技术，我们已经实现了约5 x 106的缺陷密度。换句话说，可以将缺陷密度降低到普通硅基GaN的约1/1000。”
另一方面，OKI的CFB技术可从各种基材上剥离功能层，并利用分子间力将其粘合到不同材料制成的基材上。其最初是为了减小公司打印机中安装的打印头 LED 阵列的尺寸和成本而开发的。具体而言，将由化合物半导体制成的LED晶体薄膜剥离并直接粘合到由硅制成的驱动IC上。
2022年7月左右，OKI偶然发现了信越化学的QST衬底上的GaN，这导致了结合QST衬底和CFB技术的新技术的开发。OKI的CFB技术可以从QST衬底上仅剥离GaN功能层，同时保持高器件特性。GaN晶体生长所需的绝缘缓冲层可以被去除并通过允许欧姆接触的金属电极接合到各种衬底上。将这些功能层粘合到具有高散热性的导电基板上将实现高散热性和垂直导电性。
OKI和信越化学的联合技术解决了上述两大挑战，为垂直GaN功率器件的社会化铺平了道路。
Odyssey：革命性创新
在垂直GaN玩家中，美国Odyssey公司开发了一种革命性的方法来在GaN中实现区域选择性掺杂区域，为实现垂直传导器件打开了大门。
其宣布完成650V以及1200V两种耐压等级GaN垂直结构结型场效应晶体管器件的产品化开发，说明垂直结构GaN功率电子器件已经做好了迈入市场的前期准备。
据了解，Odyssey公司正在利用高质量的块状GaN晶圆作为其专有的垂直传导功率开关晶体管的衬底，这些衬底允许生长额定电压高于1000V的晶体管所需的低缺陷密度器件层。
按照他们的说法，在Si上生长的GaN，缺陷密度为108~1010cm²，这些缺陷会影响器件的高压操作可靠性。因此，市场上没有额定电压高于900V的GaN HEMT的商业化发布，大多数仅限于650V。而Odyssey的革命性方法使得在GaN衬底上生长的垂直传导GaN器件每单位面积减少了约1000~10000个缺陷，这将允许在高达10000V及以上的电压下可靠运行。尽管GaN衬底更昂贵，但相比SiC，GaN器件所需要的晶圆尺寸要小得多，这使得它们相对于具有相似额定值的SiC器件在生产方面具有竞争力。
据悉，Odyssey的垂直GaN产品样品制作完成，包括工作电压为650V和1200V两种，于2023年第一季度开始向客户发货。650V部分是当今更大的市场，预计将以20%的复合年增长率增长，1200V产品细分市场预计将以63%的复合年增长率更快地增长，并将在2030年左右成为更大的市场。Odyssey公司的目标是完全取代目前由SiC服务的更高功率器件市场。
YESvGaN项目：垂直GaN薄膜晶体管
另一个对垂直GaN感兴趣的是欧洲财团在2021年所发起的YESvGaN项目，研究一种新型垂直GaN功率晶体管，该晶体管以与硅相当的成本实现垂直WGB晶体管的性能。
在功率半导体领域，欧洲一直是具备深厚的基础和技术积累。YESvGaN联盟是博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企业和德国研究机构Fraunhofer IISB、Ferdinand Braun Institute、比利时根特大学、西班牙瓦伦西亚大学等分布在7个国家设立据点的23家公司/组织组成，由欧盟的研究开发项目“ECSEL”JU”以及欧洲各国提供的资金。
该研究正朝着实现两种垂直特性的方向进行，同时获得在硅或蓝宝石衬底上异质外延生长GaN的成本优势。
之所以不能采用GaN on Silicon，首先是因为它需要绝缘缓冲层，蓝宝石本身也是绝缘体。因此，该项目正在着手开发一种“垂直GaN薄膜晶体管”，它在GaN生长后去除器件区域正下方的缓冲层、硅和蓝宝石衬底本身，并从背面直接连接到GaN层金属触点。目标是使用最大300mm的硅或蓝宝石晶圆实现耐压为650V-1200V级的纵型GaN功率晶体管。据称这种方式可以兼顾低成本和高耐压。
下图显示了YESvGaN的一些主要研究步骤和所要进行的工作，主要包括：
为实现650V~1200V级别，在最大300mm的硅/蓝宝石衬底上实现厚漂移层外延生长的技术开发；
最大1200V/100A导通电阻4mΩcm²垂直GaN功率晶体管的开发及与硅IGBT成本相同的工艺技术；
通过干法蚀刻去除硅衬底和缓冲层，通过激光剥离形成蓝宝石衬底的抬高和沉降接触，以及通过先进的接合和泥带实现背面功率元化固定技术；
对功率晶体管组件和互连技术的开发，还有相应的可靠性特性评估；
为开发的功率晶体管创建数据表并在多个应用演示机中演示系统效率改进。
在PCIM Europe 2023上，博世展示了其YESvGaN项目的进展，博世已经实现在硅和蓝宝石上生长了二极管击穿电压超过500V的堆叠层，并在150mm GaN on Silicon晶圆上去除了硅，形成了4μm厚、最大直径为5mm的GaN薄膜。不过博世还没有到最终晶体管完成的阶段，目前正在围绕着验证技术是否可行进行大量的研究。如果该技术得以实现，将有望加速垂直GaN的量产化。
除此之外，比利时的研究实验室imec在200毫米晶圆上展示了突破性的GaN工艺，它与Aixtron的设备合作，imec已经证明了GaN缓冲层的外延生长，可用于200mm QST衬底上的1200V横向晶体管应用，硬击穿电压超过1800V。
总之，垂直GaN的研发是目前行业的一大努力方向，美欧日等国家和地区的这些企业和机构正在努力发挥和挖掘GaN在大电压下的潜力。
2000年以来推动垂直GaN功率器件相关发明活动的主要参与者（图源：KnowMade）
三、垂直GaN技术，中国跃跃欲试
反观中国市场，2017年，中国科技部也启动了“第三代半导体的衬底制备及同质外延”重点研发计划以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN功率器件的发展。
相比之下，中国在垂直型GaN器件方向的研究起步较晚，技术储备较弱，和国外存在差距。目前仅有北京大学、浙江大学、深圳大学、中镓科技、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等少数几家单位成功研制垂直型GaN功率器件，且主要为垂直型GaN-on-GaN功率二极管。
由于功率二极管结构及工艺相对简单，且作为电力电子电路中不可或缺的基础器件，非常适宜在新型垂直型GaN-on-GaN器件发展的初期作为工艺开发、技术探索与机制分析的主要研究对象。
在性能上，新型垂直结构GaN-on-GaN功率二极管能够从根本上突破传统平面型GaN-on-Si器件在击穿电压、动态导通性能等方面的限制，更大程度地发挥GaN材料本身的优势，有望成为高压、高效、快速的电力电子系统发展的新方向，尤其是当前高质量本征GaN衬底技术的日趋成熟将有望为这一领域开启新的篇章。
而近期，KnowMade机构在研究垂直GaN器件技术的专利现状时指出，近年来中国在垂直GaN发明活动方面正在逐渐取代日本处于领先地位。
其中，以西安电子科技大学和电子科技大学为首的研究机构领导的中国玩家似乎在发明活动方面处于领先地位，自2020年以来逐渐地超越日本玩家。
据了解，垂直GaN领域的大多数IP新人来自中国。
2019年以来进入专利领域的主要知识产权新来者是山东大学、西安交通大学等中国研究机构和企业，其中之一是初创公司聚力成半导体（GLC Semiconductor），专注于GaN外延片的研发和生产。该公司在2020年披露了多项与垂直GaN FET结构相关的发明，与大多数中国企业仅在中国寻求发明保护不同，GLC除了中国大陆之外，还成功在美国和中国台湾提交了多项专利申请。
此外，主要的GaN单晶衬底供应商包括有国内的纳维科技、吴越半导体、中镓半导体、镓特半导体等。
苏州纳维在2017年率先推出4英寸GaN单晶衬底，并且还表示突破了6英寸的关键核心技术；2018年2月，东莞中稼半导体宣布，在国内首次试产4英寸自支撑GaN衬底，并在2019年10月发售4英寸自支撑氮化镓衬底；2020年3月，镓特半导体宣布开发出4英寸掺碳半绝缘GaN晶圆片，并表示“镓特是第一家，也是唯一一家生产4英寸半绝缘氮化镓晶圆片的公司”。
同时，上述中国大学也在将重点放在中国以保护其发明，以及在快速发展的功率SiC产业中，高校和科研院校在通过合作、专利转让等方式推动国内新企业的出现。
根据目前的IP趋势，中国可能很快就会成为垂直GaN专利最活跃的市场。
综合来看，目前美国、日本、欧洲等国家和地区已研制出多种垂直型GaN器件，部分企业实现小批量供货。我国垂直型GaN器件研发起步晚，在技术、理论、工艺等方面与国外相比仍存在差距，但追赶速度正在快速提升。
历经20年创新，垂直GaN技术IP竞赛才刚刚开始。KnowMade在报告中指出，“尽管自2000年代以来已经申请了1000多个专利族来涵盖垂直GaN技术的发展，但迄今为止IP竞争一直非常温和。然而，事实上，目前包括现有汽车公司在内的一些参与者仍在投资垂直GaN技术，一些成熟的知识产权参与者（富士电机、丰田汽车）和相对较新的知识产权参与者（电装、博世）正在加速其专利申请。因此，垂直GaN专利格局预计在未来十年内竞争将变得越来越激烈。”
随着垂直GaN技术的持续发展，行业厂商将致力于为垂直GaN功率器件的工业化和商业化做好准备，迎接新的市场机遇。
四、写在最后
受市场前景吸引，垂直GaN行业风起云涌，正在迎来新发展。
但需要注意的是，作为电力电子技术的一个新兴研究热点，垂直型GaN-on-GaN功率器件的发展和相关研究尚处于起步阶段，仍然存在诸多关键技术挑战。比如，直径小，尺寸仅为2至4英寸；GaN晶圆价格昂贵等，都是行业亟待解决的新挑战。
未来，随着研究不断深入、技术突破，垂直型GaN器件市场将迎来广阔发展前景。在这个过程中，国内外厂商都在励兵秣马，力争在这个竞争激烈的市场寻到自己的一片天空。
参考内容：
电子与封装：特邀综述 | GaN垂直结构器件结终端设计
Semiconductor：垂直GaN功率器件IP竞争现状
李博等，《垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况》
孙涛，《高压低功耗新型氮化镓功率器件机理及结构研究》
徐嘉悦，《GaN垂直结构器件结终端设计》
本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：L晨光