两家公司倒在量产前夕，垂直GaN为什么落地难

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）今年一月，电子发烧友网曾报道专注于垂直GaN器件的美国GaN IDM初创公司NexGen Power Systems破产倒闭；而在今年3月，另一家位于美国纽约州的垂直GaN器件公司Odyssey也宣布变卖旗下的晶圆厂资产，并在出售资产后解散公司。

 

这两家公司此前都拥有自己的晶圆厂，并都推出了性能指标亮眼的垂直GaN器件工程样品，但都倒在了量产前的道路上。而另一边功率GaN行业在充电头应用中爆发之后，已经拓展到各大电源应用领域，近年英飞凌、瑞萨等功率半导体巨头也在积极并购市场上的GaN芯片公司。

 

尽管一些专注于垂直GaN的公司已经倒下，但从技术上看，垂直GaN依然具备很大的应用前景。

 

衬底成本高，无法支撑垂直GaN落地

 

垂直GaN中“垂直”是指器件的结构，简单可以理解为器件中阳极和阴极相对的位置，目前大多数硅基GaN器件是平面型结构，即阳极和阴极处于芯片同一平面上，导通电流在器件中横向流动；而垂直型GaN一般是基于GaN衬底，GaN衬底底面为阴极，阳极则位于上方，导通电流是竖向流动。

 

相比横向的硅基GaN或是SiC基GaN器件，垂直GaN器件由于需要采用GaN衬底同质外延层，具有更低的位错密度，器件可靠性高，性能也更高。而具体到器件上，GaN二极管和晶体管都能采用垂直结构。

 

由于器件结构上的优势，在相同的器件面积下，可以通过增加位于晶体管内部的漂移层（用于传导电流）的厚度，来提高电压等级，能够用于更高电压的应用中；同时，电流导通路径的面积大，可以承受较高的电流密度。

 

另外，垂直结构能够更容易产生雪崩效应，在超过击穿电压的情况下，雪崩最初通过反向极化栅源二极管发生，随后导致雪崩电流增加栅源电压并且沟道打开并导通。这是一种设备自我保护的重要属性，如果器件两端电压或导通的电流出现峰值，拥有雪崩特性的器件就可以吸收这些电涌并保持正常运行，在工业领域有很大的应用空间。

 

一般来说，目前主流的功率GaN都建立在硅基、SiC基等衬底上，由于GaN与其他衬底材料晶格匹配度较低，为了材料生长以及电学特性，需要在衬底与GaN外延层之间加入一层“缓冲层”，比如AlN/AlGaN。

 

但与横向器件不同的是，垂直GaN器件峰值电场往往出现在远离表面的位置，从而增强抗击穿的鲁棒性，但这也导致了垂直结构GaN器件需要建立在GaN衬底上。GaN单晶衬底目前由于制备效率低，价格极高。

 

目前主流的制作方式是先在蓝宝石衬底上生长出GaN厚膜，分离后的GaN厚膜再作为外延用的衬底。据某国内GaN器件厂商透露，目前2英寸的GaN衬底价格高达1.5万元人民币，而8英寸硅外延片的市场价不到300元。

 

包括NexGen 和Odyssey，都采用了GaN衬底来制造垂直GaN器件，成本居高不下或许也是商业上失败的重要原因。

 

垂直GaN领域持续创新，中国专利崛起

 

尽管商业化进展目前不太理想，但作为性能上具备优势的技术路线，业界从研究机构到公司，都在持续投入到垂直GaN的开发和创新当中。

 

比如前面提到GaN衬底成本过高的问题，实际上目前业界也出现了一些不需要GaN衬底的垂直GaN器件制造方法，比如今年2月北京理工大学和北京大学的合作团队开发了一种使用超薄AlGaN缓冲层，基于SiC衬底的垂直GaN SBD器件。

 

去年10月，日本两家公司OKI（冲电气工业株式会社）和 信越化学合作开发了一项新技术，据称可以降低垂直GaN器件90%的制造成本。这种技术采用信越化学专门为GaN外延生长而开发的QST基板，由于热膨胀系数与GaN相匹配，因此在生长GaN外延的过程中缺陷密度极低，可简化缓冲层，降低生长时间，提升制备效率。

 

同时8英寸QST衬底的成本与2英寸GaN衬底的成本大致相同，因此可以大幅降低器件的制造成本。

 

在技术创新的背后，从专利的数量也能够看出垂直GaN领域的活跃情况。

 

根据knowmade的报告，垂直GaN功率器件的专利开发从2005年开始起步，早期主要由日本公司，包括住友电工、罗姆、丰田等公司领导；在2009到2012年陷入了瓶颈期，每年的发明专利数量较少；2013年在住友电工、丰田、首尔半导体、Avogy（2017年转让专利到NexGen）等玩家推动下，专利活动迎来了爆发。

 

后续富士电机、电装、松下、博世等玩家的加入，为垂直GaN功率器件领域注入了新鲜血液。而从2019年开始，中国山东大学和西安交通大学开始进入垂直GaN领域的开发，并获得大量新的专利IP；在企业方面，聚力成半导体则成为了垂直GaN领域重要的中国公司之一。

 

报告中还提到，近几年中国大学研究机构开始加强对知识产权的重视，特别是西安电子科技大学和电子科技大学。这也意味着国内大学研究机构在垂直GaN赛道上正在产出创新的技术，并利用专利组合来推动国内垂直GaN技术的发展。

 

当然，整体来看，日本依然在垂直GaN的知识产权领域占有主导位置，这与日本在GaN材料领域起步较早有很大关系。

 

写在最后

 

垂直GaN作为下一代功率半导体的重要技术之一，商业落地受到很多方面的制约，产业投资规模实际上也称不上大。但创新技术往往距离实用落地仅一步之遥，持续的投资是支撑新技术落地的唯一路径，正如近一年里倒闭的两家垂直GaN公司，都倒在了产品量产前夕。也希望随着产业链的成熟以及新的降本技术出现，能够让垂直GaN更快帮助不同领域的应用升级。