兩家公司倒在量產前夕，垂直GaN為什么落地難
電子發燒友網報道（文/梁浩斌）今年一月，電子發燒友網曾報道專注于垂直GaN器件的美國GaN IDM初創公司NexGen Power Systems破產倒閉；而在今年3月，另一家位于美國紐約州的垂直GaN器件公司Odyssey也宣布變賣旗下的晶圓廠資產，并在出售資產后解散公司。
這兩家公司此前都擁有自己的晶圓廠，并都推出了性能指標亮眼的垂直GaN器件工程樣品，但都倒在了量產前的道路上。而另一邊功率GaN行業在充電頭應用中爆發之后，已經拓展到各大電源應用領域，近年英飛凌、瑞薩等功率半導體巨頭也在積極并購市場上的GaN芯片公司。
盡管一些專注于垂直GaN的公司已經倒下，但從技術上看，垂直GaN依然具備很大的應用前景。
襯底成本高，無法支撐垂直GaN落地
垂直GaN中“垂直”是指器件的結構，簡單可以理解為器件中陽極和陰極相對的位置，目前大多數硅基GaN器件是平面型結構，即陽極和陰極處于芯片同一平面上，導通電流在器件中橫向流動；而垂直型GaN一般是基于GaN襯底，GaN襯底底面為陰極，陽極則位于上方，導通電流是豎向流動。
由于器件結構上的優勢，在相同的器件面積下，可以通過增加位于晶體管內部的漂移層（用于傳導電流）的厚度，來提高電壓等級，能夠用于更高電壓的應用中；同時，電流導通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度。
另外，垂直結構能夠更容易產生雪崩效應，在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化柵源二極管發生，隨后導致雪崩電流增加柵源電壓并且溝道打開并導通。這是一種設備自我保護的重要屬性，如果器件兩端電壓或導通的電流出現峰值，擁有雪崩特性的器件就可以吸收這些電涌并保持正常運行，在工業領域有很大的應用空間。
一般來說，目前主流的功率GaN都建立在硅基、SiC基等襯底上，由于GaN與其他襯底材料晶格匹配度較低，為了材料生長以及電學特性，需要在襯底與GaN外延層之間加入一層“緩沖層”，比如AlN/AlGaN。
但與橫向器件不同的是，垂直GaN器件峰值電場往往出現在遠離表面的位置，從而增強抗擊穿的魯棒性，但這也導致了垂直結構GaN器件需要建立在GaN襯底上。GaN單晶襯底目前由于制備效率低，價格極高。
目前主流的制作方式是先在藍寶石襯底上生長出GaN厚膜，分離后的GaN厚膜再作為外延用的襯底。據某國內GaN器件廠商透露，目前2英寸的GaN襯底價格高達1.5萬元人民幣，而8英寸硅外延片的市場價不到300元。
包括NexGen 和Odyssey，都采用了GaN襯底來制造垂直GaN器件，成本居高不下或許也是商業上失敗的重要原因。
垂直GaN領域持續創新，中國專利崛起
盡管商業化進展目前不太理想，但作為性能上具備優勢的技術路線，業界從研究機構到公司，都在持續投入到垂直GaN的開發和創新當中。
比如前面提到GaN襯底成本過高的問題，實際上目前業界也出現了一些不需要GaN襯底的垂直GaN器件制造方法，比如今年2月北京理工大學和北京大學的合作團隊開發了一種使用超薄AlGaN緩沖層，基于SiC襯底的垂直GaN SBD器件。
去年10月，日本兩家公司OKI（沖電氣工業株式會社）和 信越化學合作開發了一項新技術，據稱可以降低垂直GaN器件90%的制造成本。這種技術采用信越化學專門為GaN外延生長而開發的QST基板，由于熱膨脹系數與GaN相匹配，因此在生長GaN外延的過程中缺陷密度極低，可簡化緩沖層，降低生長時間，提升制備效率。
同時8英寸QST襯底的成本與2英寸GaN襯底的成本大致相同，因此可以大幅降低器件的制造成本。
在技術創新的背后，從專利的數量也能夠看出垂直GaN領域的活躍情況。
根據knowmade的報告，垂直GaN功率器件的專利開發從2005年開始起步，早期主要由日本公司，包括住友電工、羅姆、豐田等公司領導；在2009到2012年陷入了瓶頸期，每年的發明專利數量較少；2013年在住友電工、豐田、首爾半導體、Avogy（2017年轉讓專利到NexGen）等玩家推動下，專利活動迎來了爆發。
后續富士電機、電裝、松下、博世等玩家的加入，為垂直GaN功率器件領域注入了新鮮血液。而從2019年開始，中國山東大學和西安交通大學開始進入垂直GaN領域的開發，并獲得大量新的專利IP；在企業方面，聚力成半導體則成為了垂直GaN領域重要的中國公司之一。
報告中還提到，近幾年中國大學研究機構開始加強對知識產權的重視，特別是西安電子科技大學和電子科技大學。這也意味著國內大學研究機構在垂直GaN賽道上正在產出創新的技術，并利用專利組合來推動國內垂直GaN技術的發展。
當然，整體來看，日本依然在垂直GaN的知識產權領域占有主導位置，這與日本在GaN材料領域起步較早有很大關系。
寫在最后
垂直GaN作為下一代功率半導體的重要技術之一，商業落地受到很多方面的制約，產業投資規模實際上也稱不上大。但創新技術往往距離實用落地僅一步之遙，持續的投資是支撐新技術落地的唯一路徑，正如近一年里倒閉的兩家垂直GaN公司，都倒在了產品量產前夕。也希望隨著產業鏈的成熟以及新的降本技術出現，能夠讓垂直GaN更快幫助不同領域的應用升級。
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