目前，以傳統半導體硅（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。但現有的硅基功率技術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。
溝槽型SiCMOSFET被認為是更有優勢的技術路線和發展方向，引得行業玩家紛紛涌入，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，因此被視為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NexGenPowerSystems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的關注和探討。
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，只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構研究》)
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，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”GaNonGaN正在成為新的焦點。
與橫向結構器件相比，垂直結構GaN器件擁有更多優勢：
（1）電流通道在體內，不易受器件表面陷阱態的影響，動態特性較為穩定；
（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）由于電流在器件內部更為均勻，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垂直結構功率器件的研發得以取得長足的進步，為突破橫向結構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將成為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，電網也是垂直結構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，率先取得領先身位
近年來，隨著高質量單晶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產業化，將具有更大的潛力發揮GaN材料的優勢并提升器件性能。
回顧產業發展歷程，據戰略咨詢公司KnowMade的《垂直GaN功率器件IP競爭現狀》報告顯示，垂直GaN功率器件的知識產權(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活動已達到平臺期，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在內的其他歐洲主要研究機構也恢復了該領域的知識產權活動。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GaNFET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RickBrown和JamesShealy于2019年創立的初創公司OdysseySemiconductor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、歐洲為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產品和技術動態。
NexGen：科技新星，突然倒閉
2017年Avogy破產后，其首席執行官DineshRamanathan創立了一家初創公司NexGenPowerSystems，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GaNe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。這些設備預計將于2023年第三季度開始全面生產。
NexGen首席執行官ShahinSharifzadeh表示：“沒有其他半導體器件可以與NexGenVerticalGaN提供的性能特征相匹配，我們非常自豪能夠成為第一家從紐約州錫拉丘茲工廠提供使用垂直GaN的700V和1200V器件生產樣品的GaN技術。”
NexGen的半導體將使客戶能夠開發出使用硅、碳化硅或硅基氮化鎵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鎵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已宣布破產倒閉，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。
該技術實現了GaN的垂直導電，有望將制造成本降至傳統制造成本的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產率；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基板是專門為GaN外延生長而開發的復合材料基板，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5x106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。”
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，這導致了結合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。將這些功能層粘合到具有高散熱性的導電基板上將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，為垂直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，為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產品化開發，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GaNHEMT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器件在生產方面具有競爭力。
據悉，Odyssey的垂直GaN產品樣品制作完成，包括工作電壓為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，預計將以20%的復合年增長率增長,1200V產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FraunhoferIISB、FerdinandBraunInstitute、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。
該研究正朝著實現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外延生長GaN的成本優勢。
之所以不能采用GaNonSilicon，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一種“垂直GaN薄膜晶體管”，它在GaN生長后去除器件區域正下方的緩沖層、硅和藍寶石襯底本身，并從背面直接連接到GaN層金屬觸點。目標是使用最大300mm的硅或藍寶石晶圓實現耐壓為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：
為實現650V-1200V級別，在最大300mm的硅/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硅IGBT成本相同的工藝技術；
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；
為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PCIMEurope2023上，博世展示了其YESvGaN項目的進展，博世已經實現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150mmGaNonSilicon晶圓上去除了硅，形成了4μm厚、最大直徑為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是否可行進行大量的研究。如果該技術得以實現，將有望加速垂直GaN的量產化。
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200mmQST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。
垂直GaN技術，中國躍躍欲試
反觀中國市場，2017年，中國科技部也啟動了“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、中鎵科技、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，且主要為垂直型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器件發展的初期作為工藝開發、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、動態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，有望成為高壓、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將有望為這一領域開啟新的篇章。
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為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。
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產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（GLCSemiconductor），專注于GaN外延片的研發和生產。該公司在2020年披露了多項與垂直GaNFET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；2018年2月，東莞中稼半導體宣布，在國內首次試產4英寸自支撐GaN襯底，并在2019年10月發售4英寸自支撐氮化鎵襯底；2020年3月，鎵特半導體宣布開發出4英寸摻碳半絕緣GaN晶圓片，并表示“鎵特是第一家，也是唯一一家生產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明，以及在快速發展的功率SiC產業中，高校和科研院校在通過合作、專利轉讓等方式推動國內新企業的出現。
根據目前的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。
歷經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，但迄今為止IP競爭一直非常溫和。然而，事實上，目前包括現有汽車公司在內的一些參與者仍在投資垂直GaN技術，一些成熟的知識產權參與者（富士電機、豐田汽車）和相對較新的知識產權參與者（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內競爭將變得越來越激烈。”
隨著垂直GaN技術的持續發展，行業廠商將致力于為垂直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。
寫在最后
受市場前景吸引，垂直GaN行業風起云涌，正在迎來新發展。
但需要注意的是，作為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，尺寸僅為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，隨著研究不斷深入、技術突破，垂直型GaN器件市場將迎來廣闊發展前景。在這個過程中，國內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。
共0條 [查看全部] 網友評論