GaN技术，新变局

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。

平面型和沟槽型SiC MOSFET的技术特点各有优劣，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。

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

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。”