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作者: 付斌
今年年初，專注于垂直GaN器件的兩家公司NexGen和Odyssey接連破産倒閉、出售資産解散引發行業關注。那時候大家都有一個共同的疑問——垂直GaN到底行不行？
昨日，Odyssey買家浮現，Power Integrations（PI）宣布收購與其達成協定，将收購Odyssey資産。這項交易預計将于2024年7月完成，屆時Odyssey所有關鍵員工都将加入PI的技術部門。
是以問題來了，垂直GaN到底有什麼魅力，為什麼大家都盯上了這項技術？垂直GaN，未來目标是什麼？
垂直GaN的目标是替換SiC
氮化镓（GaN）和碳化矽（SiC）都是寬禁帶半導體，一直以來，大家都會按照耐壓等級來區分二者的應用範圍。
比如說，橫向GaN HEMT用于耐壓650V以下的應用，包括PC的超小型交流擴充卡和智能手機的超小型充電器；垂直SiC溝槽MOSFET被應用于耐壓1200V以上的應用，包括電動汽車（EV）的牽引逆變器（主電機驅動電路）。
不過，業界一直認為，GaN的潛力比SiC更高。如果将MOSFET和結型FET（JFET）等單極性功率器件的整體适用性與量化整體适用性（降低導通電阻和改善擊穿電壓的潛力）的巴利加優值（Barriga）指數進行比較，SiC（當用于制造功率器件的晶體多晶型為4H時）為500，而GaN則高得多，為930。
巴利加優值由電子遷移率（μe）、介電常數（ε）和介電擊穿強度 （Ec）的實體性質值決定的值。也就是說，在耐壓為1200V以上應用時，GaN作為功率器件材料的性能潛力比SiC高。
此外，現在大多數SiC都是使用具有高遷移率的4H-SiC，它在反複反複加熱和冷卻的環境中使用時，可能會發生相變，導緻器件品質變化進而發生故障和失效，是以在制造器件時，就要在器件結構、品質控制、驅動電路、操作條件、系統配置采取更多對策。而GaN的六方纖鋅礦結構是一種穩定相，是以很多人就呼籲用更穩定GaN從根本治療SiC的問題。
但是，目前GaN的拳頭應用主要圍繞650V以下，也很難突破1200V，這樣就很難與SiC競争，畢竟做不了中高壓。
想要進一步突破耐壓，要麼改善晶體品質本身，進一步減少體材料缺陷密度，要麼就是從器件上改變，就是從橫向變成縱向。
GaN器件主要分為縱向和橫向結構，縱向GaN又稱垂直型GaN（Vertical GaN）。
平面型GaN-on-Si與(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型結構
目前，市面上絕大部分GaN都是橫向GaN器件，而橫向需要擴充器件來增加電壓，進而增加晶片面積。垂直GaN功率器件就不受到此限制，電壓在厚的低摻雜漂移層上下降，類似于Si和SiC，這樣也就能做到更高電壓。
不止如此，垂直GaN還能顯著地提高功率密度、開關速度以及散熱性能，降低導通電阻RDS(on)，減少寄生電容。此外，垂直結構更易于産生雪崩效應，可幫助器件吸收電湧（器件兩端電壓或導通的電流出現峰值的情況下），保持正常運作，适用于工業應用場景。
是以說，垂直GaN是行業的一個大目标，全世界都在加大力量研發這項技術。把耐壓做大，意味着GaN器件能夠逐漸滲透到汽車、工業、資料中心等領域。假設未來垂直GaN上車，也能夠顯著提高電動汽車基本性能。
理想好，落地難
雖然好處多多，但制造起來是個難題，落地更難。
究其原因，就是貴。現在行業主流的形式是GaN-on-Si或者GaN-on-SiC，也就是在Si或者SiC基襯底上做GaN器件。
但垂直GaN器件峰值電場往往出現在遠離表面的位置，是以隻能用GaN自支撐襯底，也就是GaN-on-GaN。
而目前來看，GaN自支撐外延片的成本較高，此外，目前GaN自支撐襯底的外延片尺寸較小，這就使得單個器件的成本更高。
資料顯示，目前2英寸GaN襯底價格高達1.5萬元人民币，對比起來，8英寸矽外延片的市場價不到300元。
也就是說，花大力氣做的垂直GaN，市場量級撐不起高昂的費用，想要落地就更難了。
美國、歐洲、日本等國家和地區相繼發起多項垂直型GaN-on-GaN器件的研發項目。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-on-GaN功率器件發展。
誰在推進垂直GaN
學術界，垂直GaN是熱門話題，歐洲YESvGaN項目、比利時imec、瑞典Rise研究所、蘇州納米所、西安電子科技大學、電子科技大學等均在垂直GaN領域非常活躍。
企業方面，信越化學是離垂直GaN量産最近的一家企業，其主要掌握兩個關鍵技術。
一是用GaN工程襯底實作了1800V耐壓。垂直型器件通常需要至少10μm的高品質GaN單晶，目前可商用的GaN單晶尺寸僅為2～4英寸，不僅價格高昂，而且缺陷密度也很高。
而在2019年，信越化學獲得了美國QROMIS的(QST)工程襯底專利許可。此前，QROMIS之前釋出了6英寸和8英寸的QST襯底，以及具有5μm和10μm厚度的GaN模闆，基于該模闆生長的GaN器件良率為90%，并且還已證明基于QST的GaN層厚可以達到30 µm，而且無裂紋。
二是襯底剝離技術。QST襯底至今未被大規模商用的原因在于缺乏高校剝離技術，信越化學則聯合日本沖電氣工業（OKI）開發了CFB（晶體膜鍵合）技術，實作了GaN功能層與QST襯底的分離，同時還很好地解決缺陷問題，進而使高品質的QST襯底得到極大的改進。
更重要的是，這項新技術，将實作低成本制造垂直GaN功率器件，有望将制造成本降至傳統制造成本的10%。也就是說，GaN的材料成本有望下降90%，屆時垂直GaN将會擁有很好的效益。
此外，垂直GaN領域也存在許多初創公司。
比如說，2022年報道顯示，隆德大學的衍生公司Hexagem正在開創一種垂直納米線生長工藝，與現今典型的橫向GaN器件相比，這些垂直GaN器件每平方厘米包含的缺陷要少得多，這對英飛淩和意法半導體等器件制造商來說是個好消息。
再比如，相繼倒下的NexGen和Odyssey，也都曾是這個領域的領先者：
• 2023年2月，NexGen宣布将提供700V和1200V的GaN樣品；2023年7月，NexGen還宣布與通用汽車合作的GaN主驅項目已獲得美國能源部 (DoE) 的資助——使用NexGen的垂直GaN器件來開發的電力驅動系統；
2022年，Odyssey表示已獲得三個客戶的承諾來評估這些第一代産品樣品；2023年，Odyssey表示正在美國制造工作電壓為650V和1200V的垂直GaN FET半導體樣品；同時Odyssey不止一次強調，其650V和1200V垂直GaN器件提供更低的導通電阻和更高的品質因數，其導通電阻僅為碳化矽 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率顯着提高。
• 又比如，廣東光大企業集團在半導體領域布局的重點産業化項目——中镓科技曾宣布制備的垂直型GaN–on-GaN SBD器件同時實作了較高的擊穿電壓和較低的開啟電壓，以上各項資料均達到國際領先水準，與已報道的傳統垂直型GaN SBD相比表現出了優異的特性。此外，在2022年，中镓科技宣布與北京大學、波蘭國家高壓實驗室開展了合作，使用乙烯氣源制備出了世界最高電阻率的半絕緣GaN自支撐襯底。
博世對于垂直GaN技術，也躍躍欲試。2022年，消息稱博世在采用一家GaN初創公司的外延技術開發垂直氮化镓器件。
PI的動作值得關注
據集邦咨詢資料顯示，按照2022年的營業收入計算，Power integrations（PI）以20%的市占率排名第一，其次為Navitas（17%）、英諾賽科（16%）、EPC（15%）、GaN Systems（12%）、Transphorm（9%）等。按照這樣的資料計算，英飛淩将提升至15%的市場佔有率，最終可與EPC并列第四。
是以，PI作為GaN領域的領先者，積極布局垂直GaN，非常具有參考意義。
Yole此前預測顯示，GaN市場将在2028年達到20.8億美元，2022年~2028年複合增長率将會保持在44%。其中，汽車和通信就是GaN兩個高速增長的市場。
那時候，Yole也預警，GaN增長正在放緩腳步。也就是說，GaN需要不斷擴大應用範圍，來進一步擴張市場，這包括汽車，也包括PC伺服器。想要拿下這塊市場，垂直GaN會是非常強的助力。
我們看到，PI已經率先張開手臂，擁抱未來。根據此前大多研究機構給出的結果，2025年或許會是垂直GaN逐漸進入量産階段的關鍵時間點。屆時，GaN市場的打法将會是全面包圍SiC，取代SiC。與此同時，GaN與原有矽代工路線極為相似，是以GaN工廠産能擴充也不是問題。