目前，以傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅（Si）為主要材料的半導(dǎo)體器件仍然主導(dǎo)著電力電子功率元件。但現(xiàn)有的硅基功率技術(shù)正接近材料的理論極限，只能提供漸進(jìn)式的改進(jìn)，無(wú)法滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)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(yè)界開(kāi)始尋求新的半導(dǎo)體材料來(lái)滿足行業(yè)需要，期盼突破傳統(tǒng)硅的理論極限。

碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體材料因具有寬禁帶、高臨界擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速度等特點(diǎn)，成為目前功率電子材料與器件研究的熱點(diǎn)。

與*代、第二代半導(dǎo)體相比，第三代半導(dǎo)體材料所制備的器件具有擊穿電壓高、輸出電流大、導(dǎo)熱性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。在相同的耐壓下，可以具有更低的比導(dǎo)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(shù)特點(diǎn)和優(yōu)劣，以及兩種不同結(jié)構(gòu)SiC的市場(chǎng)進(jìn)展和行業(yè)走向。溝槽型SiC MOSFET被認(rèn)為是更有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)路線和發(fā)展方向，引得行業(yè)玩家紛紛涌入，加倍下注這個(gè)新興市場(chǎng)。

另一邊，作為第三代半導(dǎo)體的又一典型代表，GaN也存在“水平型”和“垂直型”兩種技術(shù)路線并行發(fā)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(shí)緩解一些熱問(wèn)題，因此被視為下一代功率器件中一項(xiàng)有前途的技術(shù)。

然而，近日一家聚焦垂直GaN技術(shù)的美國(guó)初創(chuàng)新星公司NexGen Power Systems的突然倒閉，給該技術(shù)原本廣闊的行業(yè)前景平添了一絲疑慮，也再次引發(fā)了業(yè)界對(duì)垂直GaN的關(guān)注和探討。

垂直GaN，市場(chǎng)廣闊

目前GaN器件主要有兩種技術(shù)路線，平面型與垂直型。

平面型GaN器件通?；诜潜菊饕r底，如Si、SiC、藍(lán)寶石（Sapphire）等。早期高質(zhì)量單晶GaN襯底難以實(shí)現(xiàn)，成本比較高，只能通過(guò)非本征襯底上生長(zhǎng)異質(zhì)外延GaN，由于襯底外延界面早期難以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，因此硅基GaN和藍(lán)寶石基GaN器件逐漸成為了主流。

不同襯底材料特性比較

(來(lái)源：《高壓低功耗新型氮化鎵功率器件機(jī)理及結(jié)構(gòu)研究》)

硅基GaN和藍(lán)寶石基GaN雖然可以以相對(duì)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(lán)寶石本身是絕緣體，所以無(wú)法垂直導(dǎo)通，在高頻時(shí)不適合。

總之，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，存在很多限制器件性能的因素，未能充分發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢(shì)。

因此，為了支持高電壓/大電流，在GaN襯底上生長(zhǎng)GaN層，能夠垂直導(dǎo)電的“垂直GaN” GaN on GaN正在成為新的焦點(diǎn)。

與橫向結(jié)構(gòu)器件相比，垂直結(jié)構(gòu)GaN器件擁有更多優(yōu)勢(shì)：

（1）電流通道在體內(nèi)，不易受器件表面陷阱態(tài)的影響，動(dòng)態(tài)特性較為穩(wěn)定；

（2）垂直結(jié)構(gòu)器件可在不增加器件面積的前提下通過(guò)增加漂移區(qū)厚度直接提升耐壓，因此與橫向結(jié)構(gòu)相比更易于實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓；

（3）電流導(dǎo)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(nèi)部更為均勻，熱穩(wěn)定性佳；

（5）垂直結(jié)構(gòu)器件易于實(shí)現(xiàn)雪崩特性，在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。

(a)平面型GaN-on-Si與(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型結(jié)構(gòu)

(來(lái)源：《高壓、高效、快速的垂直型氮化鎵功率二極管研究》)

簡(jiǎn)而言之，與橫向GaN器件相比，垂直GaN具有更低的開(kāi)關(guān)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(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)損耗極小。此外，垂直GaN器件的熱量傳輸效率更高，能夠通過(guò)均質(zhì)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(wèn)題。

近年來(lái)，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(jié)構(gòu)功率器件的研發(fā)得以取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，為突破橫向結(jié)構(gòu)HEMT器件在高壓領(lǐng)域的局限性提供了可能性。

相比SiC，GaN器件此前已經(jīng)在LED照明、快充及無(wú)線充電、5G射頻通信等領(lǐng)域得到了大量使用。

除此之外，汽車、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)也將成為GaN器件未來(lái)新的增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。垂直GaN功率器件可以通過(guò)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程和縮短充能時(shí)間來(lái)提高電動(dòng)汽車的基本性能，預(yù)計(jì)未來(lái)將有顯著的需求增長(zhǎng)。

同時(shí)，電網(wǎng)也是垂直結(jié)構(gòu)GaN器件的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。特別是由于其快速的雪崩擊穿響應(yīng)，垂直結(jié)構(gòu)GaN-PN二極管有望保護(hù)電網(wǎng)免受電磁脈沖（EMP）引起的快速電壓瞬變的影響。

可見(jiàn)，憑借諸多性能特性和優(yōu)勢(shì)，垂直型GaN有望進(jìn)一步拓展在中高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。

根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2023全球GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)分析報(bào)告》顯示，全球GaN功率元件市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的1.8億美金成長(zhǎng)到2026年的13.3億美金，復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)65%。

2022-2026年全球GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)趨勢(shì)

歐美日，率先取得*身位

近年來(lái)，隨著高質(zhì)量單晶GaN襯底的商業(yè)化，垂直型GaN器件得到快速發(fā)展，并逐步由實(shí)驗(yàn)室研究邁向產(chǎn)業(yè)化，將具有更大的潛力發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢(shì)并提升器件性能。

回顧產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程，據(jù)戰(zhàn)略咨詢公司KnowMade的《垂直GaN功率器件IP競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀》報(bào)告顯示，垂直GaN功率器件的知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 開(kāi)發(fā)在2000年代中期開(kāi)始起步，由住友電氣、ROHM、豐田汽車等日本公司主導(dǎo)。

直到2012年，每年的發(fā)明數(shù)量仍然相對(duì)較低。從2013年開(kāi)始，在住友電氣、豐田合成、首爾半導(dǎo)體和Avogy（其功率GaN專利于2017年轉(zhuǎn)讓給NexGen）的推動(dòng)下，發(fā)明活動(dòng)急劇增加。自2015年以來(lái)，垂直GaN功率器件的IP活動(dòng)已達(dá)到平臺(tái)期，出現(xiàn)了富士電機(jī)、電裝、松下和博世等新的*創(chuàng)新者。

彼時(shí)，歐美廠商也開(kāi)始加大對(duì)垂直型GaN的探索，一些知名企業(yè)也在進(jìn)入這一IP領(lǐng)域，例如2020年imec與根特大學(xué)合作，旨在開(kāi)發(fā)半垂直和垂直GaN功率器件。與此同時(shí)，imec 開(kāi)發(fā)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(lái)，包括CEA在內(nèi)的其他歐洲主要研究機(jī)構(gòu)也恢復(fù)了該領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)活動(dòng)。有法國(guó)研究組織一直與CNRS合作開(kāi)發(fā)新型垂直GaN功率器件，并于2022年發(fā)布了另外兩項(xiàng)發(fā)明，描述垂直GaN FET和二極管。

博世自2012年以來(lái)也開(kāi)發(fā)了此類垂直設(shè)備，2014年公開(kāi)*份專利，然而直到2019年博世才活躍在這一領(lǐng)域，2021年加快了垂直功率GaN技術(shù)的IP戰(zhàn)略，擁有超過(guò)15個(gè)新專利族發(fā)明。

在美國(guó)，由康奈爾大學(xué)研究人員Rick Brown和James Shealy于2019年創(chuàng)立的初創(chuàng)公司Odyssey Semiconductor于2022年進(jìn)入垂直功率GaN器件專利領(lǐng)域。

能看到，依托在半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)積累和優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)數(shù)年在垂直型GaN功率器件領(lǐng)域的研發(fā)投入，以美國(guó)、日本、歐洲為代表的國(guó)家和地區(qū)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(shí)間來(lái)也在相繼發(fā)布創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)動(dòng)態(tài)。

NexGen：科技新星，突然倒閉

2017年Avogy破產(chǎn)后，其首席執(zhí)行官Dinesh Ramanathan創(chuàng)立了一家初創(chuàng)公司NexGen Power Systems，該公司收購(gòu)了Avogy的功率GaN專利。2021 年，NexGen開(kāi)始在該領(lǐng)域開(kāi)展自己的專利活動(dòng)。

2023年初，NexGen開(kāi)始交付用于高功率應(yīng)用的全球首批700V和1200V垂直GaN器件的工程樣品。據(jù)介紹，其1200V垂直GaN e模式Fin-jFET是*已成功演示1.4kV額定電壓下高頻開(kāi)關(guān)的寬帶隙器件。這些設(shè)備預(yù)計(jì)將于2023年第三季度開(kāi)始全面生產(chǎn)。

NexGen首席執(zhí)行官Shahin Sharifzadeh表示：“沒(méi)有其他半導(dǎo)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為*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(chǎn)樣品的GaN技術(shù)。”

NexGen的半導(dǎo)體將使客戶能夠開(kāi)發(fā)出使用硅、碳化硅或硅基氮化鎵技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(xiàng)目獲得美國(guó)能源部(DoE)的資助，所獲資金計(jì)劃用于垂直氮化鎵半導(dǎo)體的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而與通用合作，有望推進(jìn)垂直GaN器件的上車進(jìn)程。

然而，就在其發(fā)展如火如荼的勢(shì)頭下，近日有媒體消息報(bào)出，總投資超過(guò)10億元的GaN企業(yè)NexGen已宣布破產(chǎn)倒閉，旗下總投資超過(guò)1億美元的晶圓廠也已關(guān)閉。據(jù)披露，倒閉的原因是難以獲得風(fēng)險(xiǎn)融資，公司運(yùn)營(yíng)已經(jīng)舉步維艱。

OKI&信越化學(xué)：垂直GaN技術(shù)新突破

前不久，沖電氣工業(yè)株式會(huì)社（OKI）與信越化學(xué)宣布成功開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，該技術(shù)使用OKI的CFB（晶體薄膜鍵合）技術(shù)，從信越化學(xué)特殊改進(jìn)的QST（Qromis襯底技術(shù)）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(shù)實(shí)現(xiàn)了GaN的垂直導(dǎo)電，有望將制造成本降至傳統(tǒng)制造成本的10%，同時(shí)為可控制大電流的垂直GaN功率器件的制造和商業(yè)化做出貢獻(xiàn)。

同時(shí)，針對(duì)目前限制垂直GaN功率器件大規(guī)模普及的兩點(diǎn)因素：受晶圓直徑限制的生產(chǎn)率；不能在大電流下實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電。

OKI和信越化學(xué)也提出了解決方案。

針對(duì)晶圓方面，信越化學(xué)的QST基板是專門(mén)為GaN外延生長(zhǎng)而開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料基板，以“CTE 匹配核心”為中心，核心是一個(gè)陶瓷（主要是氮化鋁）核心，其熱膨脹系數(shù)與GaN相當(dāng)，可以抑制翹曲和裂紋，從而可以外延生長(zhǎng)大直徑、高質(zhì)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(zhǎng)具有高擊穿電壓的厚GaN薄膜，解除晶圓直徑的限制。

據(jù)了解，信越化學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20μm以上的高質(zhì)量GaN外延生長(zhǎng)?！巴ㄟ^(guò)使用多種技術(shù)，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了約5 x 106的缺陷密度。換句話說(shuō)，可以將缺陷密度降低到普通硅基GaN的約1/1000?！?/p>

另一方面，OKI的CFB技術(shù)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(jī)中安裝的打印頭 LED 陣列的尺寸和成本而開(kāi)發(fā)的。具體而言，將由化合物半導(dǎo)體制成的LED晶體薄膜剝離并直接粘合到由硅制成的驅(qū)動(dòng)IC上。

2022年7月左右，OKI偶然發(fā)現(xiàn)了信越化學(xué)的QST襯底上的GaN，這導(dǎo)致了結(jié)合QST襯底和CFB技術(shù)的新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。OKI的CFB技術(shù)可以從QST襯底上僅剝離GaN功能層，同時(shí)保持高器件特性。GaN晶體生長(zhǎng)所需的絕緣緩沖層可以被去除并通過(guò)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(dǎo)電基板上將實(shí)現(xiàn)高散熱性和垂直導(dǎo)電性。

OKI和信越化學(xué)的聯(lián)合技術(shù)解決了上述兩大挑戰(zhàn)，為垂直GaN功率器件的社會(huì)化鋪平了道路。

Odyssey：革命性創(chuàng)新

在垂直GaN玩家中，美國(guó)Odyssey公司開(kāi)發(fā)了一種革命性的方法來(lái)在GaN中實(shí)現(xiàn)區(qū)域選擇性摻雜區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)垂直傳導(dǎo)器件打開(kāi)了大門(mén)。

其宣布完成650V以及1200V兩種耐壓等級(jí)GaN垂直結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)，說(shuō)明垂直結(jié)構(gòu)GaN功率電子器件已經(jīng)做好了邁入市場(chǎng)的前期準(zhǔn)備。

據(jù)了解，Odyssey公司正在利用高質(zhì)量的塊狀GaN晶圓作為其專有的垂直傳導(dǎo)功率開(kāi)關(guān)晶體管的襯底，這些襯底允許生長(zhǎng)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(shuō)法，在Si上生長(zhǎng)的GaN，缺陷密度為108-1010cm2，這些缺陷會(huì)影響器件的高壓操作可靠性。因此，市場(chǎng)上沒(méi)有額定電壓高于900V的GaN HEMT的商業(yè)化發(fā)布，大多數(shù)僅限于650V。而Odyssey的革命性方法使得在GaN襯底上生長(zhǎng)的垂直傳導(dǎo)GaN器件每單位面積減少了約1000-10000個(gè)缺陷，這將允許在高達(dá)10000V及以上的電壓下可靠運(yùn)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(duì)于具有相似額定值的SiC器件在生產(chǎn)方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。

據(jù)悉，Odyssey的垂直GaN產(chǎn)品樣品制作完成，包括工作電壓為650V和1200V兩種，于2023年*季度開(kāi)始向客戶發(fā)貨。650V部分是當(dāng)今更大的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將以20%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),1200V產(chǎn)品細(xì)分市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以63%的復(fù)合年增長(zhǎng)率更快地增長(zhǎng)，并將在2030年左右成為更大的市場(chǎng)。Odyssey公司的目標(biāo)是完全取代目前由SiC服務(wù)的更高功率器件市場(chǎng)。

YESvGaN項(xiàng)目：垂直GaN薄膜晶體管

另一個(gè)對(duì)垂直GaN感興趣的是歐洲財(cái)團(tuán)在2021年所發(fā)起的YESvGaN項(xiàng)目，研究一種新型垂直GaN功率晶體管，該晶體管以與硅相當(dāng)?shù)某杀緦?shí)現(xiàn)垂直WGB晶體管的性能。

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，歐洲一直是具備深厚的基礎(chǔ)和技術(shù)積累。YESvGaN聯(lián)盟是博世、意法半導(dǎo)體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企業(yè)和德國(guó)研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IISB、Ferdinand Braun Institute、比利時(shí)根特大學(xué)、西班牙瓦倫西亞大學(xué)等分布在7個(gè)國(guó)家設(shè)立據(jù)點(diǎn)的23家公司/組織組成，由歐盟的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“ECSEL”JU”以及歐洲各國(guó)提供的資金。

該研究正朝著實(shí)現(xiàn)兩種垂直特性的方向進(jìn)行，同時(shí)獲得在硅或藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)GaN的成本優(yōu)勢(shì)。

之所以不能采用GaN on Silicon，首先是因?yàn)樗枰^緣緩沖層，藍(lán)寶石本身也是絕緣體。因此，該項(xiàng)目正在著手開(kāi)發(fā)一種“垂直GaN薄膜晶體管”，它在GaN生長(zhǎng)后去除器件區(qū)域正下方的緩沖層、硅和藍(lán)寶石襯底本身，并從背面直接連接到GaN層金屬觸點(diǎn)。目標(biāo)是使用*300mm的硅或藍(lán)寶石晶圓實(shí)現(xiàn)耐壓為650V-1200V級(jí)的縱型GaN功率晶體管。據(jù)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(jìn)行的工作，主要包括：

為實(shí)現(xiàn)650V-1200V級(jí)別，在*300mm的硅/藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)厚漂移層外延生長(zhǎng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)；

*1200V/100A導(dǎo)通電阻4mΩcm2垂直GaN功率晶體管的開(kāi)發(fā)及與硅IGBT成本相同的工藝技術(shù)；

通過(guò)干法蝕刻去除硅襯底和緩沖層，通過(guò)激光剝離形成藍(lán)寶石襯底的抬高和沉降接觸，以及通過(guò)先進(jìn)的接合和泥帶實(shí)現(xiàn)背面功率元化固定技術(shù)；

對(duì)功率晶體管組件和互連技術(shù)的開(kāi)發(fā)，還有相應(yīng)的可靠性特性評(píng)估；

為開(kāi)發(fā)的功率晶體管創(chuàng)建數(shù)據(jù)表并在多個(gè)應(yīng)用演示機(jī)中演示系統(tǒng)效率改進(jìn)。

在PCIM Europe 2023上，博世展示了其YESvGaN項(xiàng)目的進(jìn)展，博世已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在硅和藍(lán)寶石上生長(zhǎng)了二極管擊穿電壓超過(guò)500V的堆疊層，并在150mm GaN on Silicon晶圓上去除了硅，形成了4μm厚、*直徑為5mm的GaN薄膜。不過(guò)博世還沒(méi)有到最終晶體管完成的階段，目前正在圍繞著驗(yàn)證技術(shù)是否可行進(jìn)行大量的研究。如果該技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，將有望加速垂直GaN的量產(chǎn)化。

除此之外，比利時(shí)的研究實(shí)驗(yàn)室imec在200毫米晶圓上展示了突破性的GaN工藝，它與Aixtron的設(shè)備合作，imec已經(jīng)證明了GaN緩沖層的外延生長(zhǎng)，可用于200mm QST襯底上的1200V橫向晶體管應(yīng)用，硬擊穿電壓超過(guò)1800V。

總之，垂直GaN的研發(fā)是目前行業(yè)的一大努力方向，美歐日等國(guó)家和地區(qū)的這些企業(yè)和機(jī)構(gòu)正在努力發(fā)揮和挖掘GaN在大電壓下的潛力。

2000年以來(lái)推動(dòng)垂直GaN功率器件相關(guān)發(fā)明活動(dòng)的主要參與者（圖源：KnowMade）

垂直GaN技術(shù)，中國(guó)躍躍欲試

反觀中國(guó)市場(chǎng)，2017年，中國(guó)科技部也啟動(dòng)了“第三代半導(dǎo)體的襯底制備及同質(zhì)外延”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以推動(dòng)GaN單晶襯底和垂直型GaN功率器件的發(fā)展。

相比之下，中國(guó)在垂直型GaN器件方向的研究起步較晚，技術(shù)儲(chǔ)備較弱，和國(guó)外存在差距。目前僅有北京大學(xué)、浙江大學(xué)、深圳大學(xué)、中鎵科技、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等少數(shù)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(jié)構(gòu)及工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且作為電力電子電路中不可或缺的基礎(chǔ)器件，非常適宜在新型垂直型GaN-on-GaN器件發(fā)展的初期作為工藝開(kāi)發(fā)、技術(shù)探索與機(jī)制分析的主要研究對(duì)象。

在性能上，新型垂直結(jié)構(gòu)GaN-on-GaN功率二極管能夠從根本上突破傳統(tǒng)平面型GaN-on-Si器件在擊穿電壓、動(dòng)態(tài)導(dǎo)通性能等方面的限制，更大程度地發(fā)揮GaN材料本身的優(yōu)勢(shì)，有望成為高壓、高效、快速的電力電子系統(tǒng)發(fā)展的新方向，尤其是當(dāng)前高質(zhì)量本征GaN襯底技術(shù)的日趨成熟將有望為這一領(lǐng)域開(kāi)啟新的篇章。

而近期，KnowMade機(jī)構(gòu)在研究垂直GaN器件技術(shù)的專利現(xiàn)狀時(shí)指出，近年來(lái)中國(guó)在垂直GaN發(fā)明活動(dòng)方面正在逐漸取代日本處于*地位。

其中，以西安電子科技大學(xué)和電子科技大學(xué)為首的研究機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)玩家似乎在發(fā)明活動(dòng)方面處于*地位，自2020年以來(lái)逐漸地超越日本玩家。

2001-2022年垂直GaN功率器件相關(guān)專利出版物的時(shí)間演變趨勢(shì)（圖源：KnowMade）

據(jù)了解，垂直GaN領(lǐng)域的大多數(shù)IP新人來(lái)自中國(guó)。

2019年以來(lái)進(jìn)入專利領(lǐng)域的主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)新來(lái)者是山東大學(xué)、西安交通大學(xué)等中國(guó)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，其中之一是初創(chuàng)公司聚力成半導(dǎo)體（GLC Semiconductor），專注于GaN外延片的研發(fā)和生產(chǎn)。該公司在2020年披露了多項(xiàng)與垂直GaN FET結(jié)構(gòu)相關(guān)的發(fā)明，與大多數(shù)中國(guó)企業(yè)僅在中國(guó)尋求發(fā)明保護(hù)不同，GLC除了中國(guó)大陸之外，還成功在美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣提交了多項(xiàng)專利申請(qǐng)。

此外，主要的GaN單晶襯底供應(yīng)商包括有國(guó)內(nèi)的納維科技、吳越半導(dǎo)體、中鎵半導(dǎo)體、鎵特半導(dǎo)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(guān)鍵核心技術(shù)；2018年2月，東莞中稼半導(dǎo)體宣布，在國(guó)內(nèi)首次試產(chǎn)4英寸自支撐GaN襯底，并在2019年10月發(fā)售4英寸自支撐氮化鎵襯底；2020年3月，鎵特半導(dǎo)體宣布開(kāi)發(fā)出4英寸摻碳半絕緣GaN晶圓片，并表示“鎵特是家，也是一家生產(chǎn)4英寸半絕緣氮化鎵晶圓片的公司”。

同時(shí)，上述中國(guó)大學(xué)也在將重點(diǎn)放在中國(guó)以保護(hù)其發(fā)明，以及在快速發(fā)展的功率SiC產(chǎn)業(yè)中，高校和科研院校在通過(guò)合作、專利轉(zhuǎn)讓等方式推動(dòng)國(guó)內(nèi)新企業(yè)的出現(xiàn)。

根據(jù)目前的IP趨勢(shì)，中國(guó)可能很快就會(huì)成為垂直GaN專利最活躍的市場(chǎng)。

綜合來(lái)看，目前美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)已研制出多種垂直型GaN器件，部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)小批量供貨。我國(guó)垂直型GaN器件研發(fā)起步晚，在技術(shù)、理論、工藝等方面與國(guó)外相比仍存在差距，但追趕速度正在快速提升。

歷經(jīng)20年創(chuàng)新，垂直GaN技術(shù)IP競(jìng)賽才剛剛開(kāi)始。KnowMade在報(bào)告中指出，“盡管自2000年代以來(lái)已經(jīng)申請(qǐng)了1000多個(gè)專利族來(lái)涵蓋垂直GaN技術(shù)的發(fā)展，但迄今為止IP競(jìng)爭(zhēng)一直非常溫和。然而，事實(shí)上，目前包括現(xiàn)有汽車公司在內(nèi)的一些參與者仍在投資垂直GaN技術(shù)，一些成熟的知識(shí)產(chǎn)權(quán)參與者（富士電機(jī)、豐田汽車）和相對(duì)較新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)參與者（電裝、博世）正在加速其專利申請(qǐng)。因此，垂直GaN專利格局預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)將變得越來(lái)越激烈。”

隨著垂直GaN技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，行業(yè)廠商將致力于為垂直GaN功率器件的工業(yè)化和商業(yè)化做好準(zhǔn)備，迎接新的市場(chǎng)機(jī)遇。

寫(xiě)在最后

受市場(chǎng)前景吸引，垂直GaN行業(yè)風(fēng)起云涌，正在迎來(lái)新發(fā)展。

但需要注意的是，作為電力電子技術(shù)的一個(gè)新興研究熱點(diǎn)，垂直型GaN-on-GaN功率器件的發(fā)展和相關(guān)研究尚處于起步階段，仍然存在諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，直徑小，尺寸僅為2至4英寸；GaN晶圓價(jià)格昂貴等，都是行業(yè)亟待解決的新挑戰(zhàn)。

未來(lái)，隨著研究不斷深入、技術(shù)突破，垂直型GaN器件市場(chǎng)將迎來(lái)廣闊發(fā)展前景。在這個(gè)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外廠商都在勵(lì)兵秣馬，力爭(zhēng)在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)尋到自己的一片天空。

審核編輯：劉清