目前，以傳統半導體矽（Si）爲主要材料的半導體器件仍然主導着電力電子功率元件。但現有的矽基功率技術正接近材料的理論極限，隻能提供漸進式的改進，無法滿足現代電子技術對耐高壓、耐高溫、高頻率、高功率乃至抗輻照等特殊條件的需求。
因此，業界開始尋求新的半導體材料來滿足行業需要，期盼突破傳統矽的理論極限。
碳化矽（SiC）、氮化镓（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，成爲目前功率電子材料與器件研究的熱點。
與第一代、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、導熱性優異等優點。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 的技術特點和優劣，以及兩種不同結構 SiC 的市場進展和行業走向。溝槽型 SiC MOSFET 被認爲是更有優勢的技術路線和發展方向，引得行業玩家紛紛湧入，加倍下注這個新興市場。
另一邊，作爲第三代半導體的又一典型代表，GaN 也存在 " 水平型 " 和 " 垂直型 " 兩種技術路線并行發展的局面。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，因此被視爲下一代功率器件中一項有前途的技術。
然而，近日一家聚焦垂直 GaN 技術的美國初創新星公司 NexGen Power Systems 的突然倒閉，給該技術原本廣闊的行業前景平添了一絲疑慮，也再次引發了業界對垂直 GaN 的關注和探讨。
垂直 GaN，市場廣闊
目前 GaN 器件主要有兩種技術路線，平面型與垂直型。
平面型 GaN 器件通常基于非本征襯底，如 Si、SiC、藍寶石（Sapphire）等。早期高質量單晶 GaN 襯底難以實現，成本比較高，隻能通過非本征襯底上生長異質外延 GaN，由于襯底外延界面早期難以實現導通，因此矽基 GaN 和藍寶石基 GaN 器件逐漸成爲了主流。
不同襯底材料特性比較
( 來源：《高壓低功耗新型氮化镓功率器件機理及結構研究》 )
矽基 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，在高頻時不适合。
總之，由于結構的特殊性，存在很多限制器件性能的因素，未能充分發揮 GaN 材料的優勢。
因此，爲了支持高電壓 / 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 正在成爲新的焦點。
與橫向結構器件相比，垂直結構 GaN 器件擁有更多優勢：
（1）電流通道在體内，不易受器件表面陷阱态的影響，動态特性較爲穩定；
（2）垂直結構器件可在不增加器件面積的前提下通過增加漂移區厚度直接提升耐壓，因此與橫向結構相比更易于實現高的擊穿電壓；
（3）電流導通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度；
（4）由于電流在器件内部更爲均勻，熱穩定性佳；
（5）垂直結構器件易于實現雪崩特性，在工業應用中優勢明顯。
( a ) 平面型 GaN-on-Si 與 ( b ) 垂直型 GaN-on-GaN 器件的典型結構
( 來源：《高壓、高效、快速的垂直型氮化镓功率二極管研究》 )
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，随着大尺寸、低缺陷密度 GaN 自支撐襯底的不斷成熟，GaN 垂直結構功率器件的研發得以取得長足的進步，爲突破橫向結構 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、工業和數據中心預計也将成爲 GaN 器件未來新的增長驅動力。垂直 GaN 功率器件可以通過延長電動汽車的行駛裏程和縮短充能時間來提高電動汽車的基本性能，預計未來将有顯著的需求增長。
同時，電網也是垂直結構 GaN 器件的另一個潛在應用領域。特别是由于其快速的雪崩擊穿響應，垂直結構 GaN-PN 二極管有望保護電網免受電磁脈沖（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勢，垂直型 GaN 有望進一步拓展在中高壓領域的應用。
根據 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 功率元件市場規模将從 2022 年的 1.8 億美金成長到 2026 年的 13.3 億美金，複合增長率高達 65%。
2022-2026 年全球 GaN 功率半導體市場趨勢
歐美日，率先取得領先身位
近年來，随着高質量單晶 GaN 襯底的商業化，垂直型 GaN 器件得到快速發展，并逐步由實驗室研究邁向産業化，将具有更大的潛力發揮 GaN 材料的優勢并提升器件性能。
回顧産業發展曆程，據戰略咨詢公司 KnowMade 的《垂直 GaN 功率器件 IP 競争現狀》報告顯示，垂直 GaN 功率器件的知識産權 ( IP ) 開發在 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，每年的發明數量仍然相對較低。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 年轉讓給 NexGen）的推動下，發明活動急劇增加。自 2015 年以來，垂直 GaN 功率器件的 IP 活動已達到平台期，出現了富士電機、電裝、松下和博世等新的領先創新者。
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，旨在開發半垂直和垂直 GaN 功率器件。與此同時，imec 開發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 在内的其他歐洲主要研究機構也恢複了該領域的知識産權活動。有法國研究組織一直與 CNRS 合作開發新型垂直 GaN 功率器件，并于 2022 年發布了另外兩項發明，描述垂直 GaN FET 和二極管。
博世自 2012 年以來也開發了此類垂直設備，2014 年公開第一份專利，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 技術的 IP 戰略，擁有超過 15 個新專利族發明。
在美國，由康奈爾大學研究人員 Rick Brown 和 James Shealy 于 2019 年創立的初創公司 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積累和優勢，經過數年在垂直型 GaN 功率器件領域的研發投入，以美國、日本、歐洲爲代表的國家和地區取得了豐碩成果，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布創新産品和技術動态。
NexGen：科技新星，突然倒閉
2017 年 Avogy 破産後，其首席執行官 Dinesh Ramanathan 創立了一家初創公司 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。據介紹，其 1200V 垂直 GaN e 模式 Fin-jFET 是唯一已成功演示 1.4kV 額定電壓下高頻開關的寬帶隙器件。這些設備預計将于 2023 年第三季度開始全面生産。
NexGen 首席執行官 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爲第一家從紐約州錫拉丘茲工廠提供使用垂直 GaN 的 700V 和 1200V 器件生産樣品的 GaN 技術。"
NexGen 的半導體将使客戶能夠開發出使用矽、碳化矽或矽基氮化镓技術無法實現的電源解決方案。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镓半導體的電動驅動系統，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 NexGen 已宣布破産倒閉，旗下總投資超過 1 億美元的晶圓廠也已關閉。據披露，倒閉的原因是難以獲得風險融資，公司運營已經舉步維艱。
OKI& 信越化學：垂直 GaN 技術新突破
前不久，沖電氣工業株式會社（OKI）與信越化學宣布成功開發出一種技術，該技術使用 OKI 的 CFB（晶體薄膜鍵合）技術，從信越化學特殊改進的 QST（Qromis 襯底技術）基闆上僅剝離 GaN 功能層，并将其粘合到不同材料的基材上。
該技術實現了 GaN 的垂直導電，有望将制造成本降至傳統制造成本的 10%，同時爲可控制大電流的垂直 GaN 功率器件的制造和商業化做出貢獻。
同時，針對目前限制垂直 GaN 功率器件大規模普及的兩點因素：受晶圓直徑限制的生産率；不能在大電流下實現垂直導電。
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 基闆是專門爲 GaN 外延生長而開發的複合材料基闆，以 "CTE 匹配核心 " 爲中心，核心是一個陶瓷（主要是氮化鋁）核心，其熱膨脹系數與 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。
據了解，信越化學已經實現了 20μm 以上的高質量 GaN 外延生長。" 通過使用多種技術，我們已經實現了約 5 x 106 的缺陷密度。換句話說，可以将缺陷密度降低到普通矽基 GaN 的約 1/1000。"
另一方面，OKI 的 CFB 技術可從各種基材上剝離功能層，并利用分子間力将其粘合到不同材料制成的基材上。其最初是爲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的。具體而言，将由化合物半導體制成的 LED 晶體薄膜剝離并直接粘合到由矽制成的驅動 IC 上。
2022 年 7 月左右，OKI 偶然發現了信越化學的 QST 襯底上的 GaN，這導緻了結合 QST 襯底和 CFB 技術的新技術的開發。OKI 的 CFB 技術可以從 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。将這些功能層粘合到具有高散熱性的導電基闆上将實現高散熱性和垂直導電性。
OKI 和信越化學的聯合技術解決了上述兩大挑戰，爲垂直 GaN 功率器件的社會化鋪平了道路。
Odyssey：革命性創新
在垂直 GaN 玩家中，美國 Odyssey 公司開發了一種革命性的方法來在 GaN 中實現區域選擇性摻雜區域，爲實現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 垂直結構結型場效應晶體管器件的産品化開發，說明垂直結構 GaN 功率電子器件已經做好了邁入市場的前期準備。
據了解，Odyssey 公司正在利用高質量的塊狀 GaN 晶圓作爲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，缺陷密度爲 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 的商業化發布，大多數僅限于 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，這将允許在高達 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 器件在生産方面具有競争力。
據悉，Odyssey 的垂直 GaN 産品樣品制作完成，包括工作電壓爲 650V 和 1200V 兩種，于 2023 年第一季度開始向客戶發貨。650V 部分是當今更大的市場，預計将以 20% 的複合年增長率增長 ,1200V 産品細分市場預計将以 63% 的複合年增長率更快地增長，并将在 2030 年左右成爲更大的市場。Odyssey 公司的目标是完全取代目前由 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 感興趣的是歐洲财團在 2021 年所發起的 YESvGaN 項目，研究一種新型垂直 GaN 功率晶體管，該晶體管以與矽相當的成本實現垂直 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積累。YESvGaN 聯盟是博世、意法半導體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB 等企業和德國研究機構 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 個國家設立據點的 23 家公司 / 組織組成，由歐盟的研究開發項目 "ECSEL"JU" 以及歐洲各國提供的資金。
該研究正朝着實現兩種垂直特性的方向進行，同時獲得在矽或藍寶石襯底上異質外延生長 GaN 的成本優勢。
之所以不能采用 GaN on Silicon，首先是因爲它需要絕緣緩沖層，藍寶石本身也是絕緣體。因此，該項目正在着手開發一種 " 垂直 GaN 薄膜晶體管 "，它在 GaN 生長後去除器件區域正下方的緩沖層、矽和藍寶石襯底本身，并從背面直接連接到 GaN 層金屬觸點。目标是使用最大 300mm 的矽或藍寶石晶圓實現耐壓爲 650V-1200V 級的縱型 GaN 功率晶體管。據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：
爲實現 650V-1200V 級别，在最大 300mm 的矽 / 藍寶石襯底上實現厚漂移層外延生長的技術開發；
最大 1200V/100A 導通電阻 4mΩcm² 垂直 GaN 功率晶體管的開發及與矽 IGBT 成本相同的工藝技術；
通過幹法蝕刻去除矽襯底和緩沖層，通過激光剝離形成藍寶石襯底的擡高和沉降接觸，以及通過先進的接合和泥帶實現背面功率元化固定技術；
對功率晶體管組件和互連技術的開發，還有相應的可靠性特性評估；
爲開發的功率晶體管創建數據表并在多個應用演示機中演示系統效率改進。
在 PCIM Europe 2023 上，博世展示了其 YESvGaN 項目的進展，博世已經實現在矽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 晶圓上去除了矽，形成了 4μm 厚、最大直徑爲 5mm 的 GaN 薄膜。不過博世還沒有到最終晶體管完成的階段，目前正在圍繞着驗證技術是否可行進行大量的研究。如果該技術得以實現，将有望加速垂直 GaN 的量産化。
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 的研發是目前行業的一大努力方向，美歐日等國家和地區的這些企業和機構正在努力發揮和挖掘 GaN 在大電壓下的潛力。
2000 年以來推動垂直 GaN 功率器件相關發明活動的主要參與者（圖源：KnowMade）
垂直 GaN 技術，中國躍躍欲試
反觀中國市場，2017 年，中國科技部也啓動了 " 第三代半導體的襯底制備及同質外延 " 重點研發計劃以推動 GaN 單晶襯底和垂直型 GaN 功率器件的發展。
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、中镓科技、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所等少數幾家單位成功研制垂直型 GaN 功率器件，且主要爲垂直型 GaN-on-GaN 功率二極管。
由于功率二極管結構及工藝相對簡單，且作爲電力電子電路中不可或缺的基礎器件，非常适宜在新型垂直型 GaN-on-GaN 器件發展的初期作爲工藝開發、技術探索與機制分析的主要研究對象。
在性能上，新型垂直結構 GaN-on-GaN 功率二極管能夠從根本上突破傳統平面型 GaN-on-Si 器件在擊穿電壓、動态導通性能等方面的限制，更大程度地發揮 GaN 材料本身的優勢，有望成爲高壓、高效、快速的電力電子系統發展的新方向，尤其是當前高質量本征 GaN 襯底技術的日趨成熟将有望爲這一領域開啓新的篇章。
而近期，KnowMade 機構在研究垂直 GaN 器件技術的專利現狀時指出，近年來中國在垂直 GaN 發明活動方面正在逐漸取代日本處于領先地位。
其中，以西安電子科技大學和電子科技大學爲首的研究機構領導的中國玩家似乎在發明活動方面處于領先地位，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）
據了解，垂直 GaN 領域的大多數 IP 新人來自中國。
2019 年以來進入專利領域的主要知識産權新來者是山東大學、西安交通大學等中國研究機構和企業，其中之一是初創公司聚力成半導體（GLC Semiconductor），專注于 GaN 外延片的研發和生産。該公司在 2020 年披露了多項與垂直 GaN FET 結構相關的發明，與大多數中國企業僅在中國尋求發明保護不同，GLC 除了中國大陸之外，還成功在美國和中國台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内的納維科技、吳越半導體、中镓半導體、镓特半導體等。
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；2018 年 2 月，東莞中稼半導體宣布，在國内首次試産 4 英寸自支撐 GaN 襯底，并在 2019 年 10 月發售 4 英寸自支撐氮化镓襯底；2020 年 3 月，镓特半導體宣布開發出 4 英寸摻碳半絕緣 GaN 晶圓片，并表示 " 镓特是第一家，也是唯一一家生産 4 英寸半絕緣氮化镓晶圓片的公司 "。
同時，上述中國大學也在将重點放在中國以保護其發明，以及在快速發展的功率 SiC 産業中，高校和科研院校在通過合作、專利轉讓等方式推動國内新企業的出現。
根據目前的 IP 趨勢，中國可能很快就會成爲垂直 GaN 專利最活躍的市場。
綜合來看，目前美國、日本、歐洲等國家和地區已研制出多種垂直型 GaN 器件，部分企業實現小批量供貨。我國垂直型 GaN 器件研發起步晚，在技術、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。
曆經 20 年創新，垂直 GaN 技術 IP 競賽才剛剛開始。KnowMade 在報告中指出，" 盡管自 2000 年代以來已經申請了 1000 多個專利族來涵蓋垂直 GaN 技術的發展，但迄今爲止 IP 競争一直非常溫和。然而，事實上，目前包括現有汽車公司在内的一些參與者仍在投資垂直 GaN 技術，一些成熟的知識産權參與者（富士電機、豐田汽車）和相對較新的知識産權參與者（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内競争将變得越來越激烈。"
随着垂直 GaN 技術的持續發展，行業廠商将緻力于爲垂直 GaN 功率器件的工業化和商業化做好準備，迎接新的市場機遇。
寫在最後
受市場前景吸引，垂直 GaN 行業風起雲湧，正在迎來新發展。
但需要注意的是，作爲電力電子技術的一個新興研究熱點，垂直型 GaN-on-GaN 功率器件的發展和相關研究尚處于起步階段，仍然存在諸多關鍵技術挑戰。比如，直徑小，尺寸僅爲 2 至 4 英寸；GaN 晶圓價格昂貴等，都是行業亟待解決的新挑戰。
未來，随着研究不斷深入、技術突破，垂直型 GaN 器件市場将迎來廣闊發展前景。在這個過程中，國内外廠商都在勵兵秣馬，力争在這個競争激烈的市場尋到自己的一片天空。
