白虎 意思 GaN本领，新变局
发布日期：2024-12-18 12:14 点击次数：150
面前，以传统半导体硅（Si）为主要材料的半导体器件仍然主导着电力电子功率元件。但现存的硅基功率本领正接近材料的表面极限白虎 意思，只可提供渐进式的改换，无法闲散当代电子本领对耐高压、耐高温、高频率、高功率乃至抗放射等特殊条目的需求。
因此，业界开动寻求新的半导体材料来闲散行业需要，期盼冲破传统硅的表面极限。
碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等级三代半导体材料因具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子充足漂移速率等特色，成为面前功率电子材料与器件连系的热门。
与*代、第二代半导体比拟，第三代半导体材料所制备的器件具有击穿电压高、输出电流大、导热性优异等优点。在沟通的耐压下，不错具有更低的比导通电阻。
近日，笔者在《SiC，全民“挖坑”》一文中，先容了平面型和沟槽型SiC MOSFET的本领特色和优劣，以及两种不同结构SiC的阛阓进展和行业走向。沟槽型SiC MOSFET被以为是更有上风的本融会线和发展标的，引得行业玩家纷繁涌入，加倍下注这个新兴阛阓。
另一边，动作第三代半导体的又一典型代表，GaN也存在“水平型”和“垂直型”两种本融会线并行发展的所在。其中，垂直GaN有可能克服横向器件的击穿电压和电流容量法例，同期缓解一些热问题，因此被视为下一代功率器件中一项有出路的本领。
然则，近日一家聚焦垂直GaN本领的好意思国初创新星公司NexGen Power Systems的须臾倒闭，给该本领原本精深的行业远景平添了一点疑虑，也再次激勉了业界对垂直GaN的温和和探讨。
垂直GaN，阛阓精深
面前GaN器件主要有两种本融会线，平面型与垂直型。
平面型GaN器件频繁基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝相持（Sapphire）等。早期高质地单晶GaN衬底难以已毕，资本比较高，只可通过非本征衬底上滋长异质外延GaN，由于衬底外延界面早期难以已毕导通，因此硅基GaN和蓝相持基GaN器件逐步成为了主流。
不同衬底材料脾气比较
(来源：《高压低功耗新式氮化镓功率器件机理及结构连系》)
户外x硅基GaN和蓝相持基GaN天然不错以相对较低的资本取得GaN的高频脾气，但它们与GaN层之间需要有绝缘缓冲层，而蓝相持自己是绝缘体，是以无法垂直导通，在高频时不稳当。
总之，由于结构的特殊性，存在许多法例器件性能的要素，未能充分推崇GaN材料的上风。
因此，为了支抓高电压/大电流，在GaN衬底上滋长GaN层，八成垂直导电的“垂直GaN” GaN on GaN正在成为新的焦点。
与横向结构器件比拟，垂直结构GaN器件领有更多上风：
（1）电流通说念在体内，不易受器件名义陷坑态的影响，动态脾气较为雄厚；
（2）垂直结构器件可在不增多器件面积的前提下通过增多漂移区厚度径直擢升耐压，因此与横向结构比拟更易于已毕高的击穿电压；
（3）电流导通旅途的面积大，不错承受较高的电流密度；
（4）由于电流在器件里面更为均匀，热雄厚性佳；
（5）垂直结构器件易于已毕雪崩脾气，在工业应用中上风彰着。
(a)平面型GaN-on-Si与(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型结构
(来源：《高压、高效、快速的垂直型氮化镓功率二极管连系》)
简而言之，与横向GaN器件比拟，垂直GaN具有更低的开关损耗和更好的雪崩鲁棒性。其输出电容较小，使得在高频率下运行时开关损耗极小。此外，垂直GaN器件的热量传输效力更高，八成通过均质材料径直从顶部和底部传输热量，幸免了横向GaN器件中因缓冲层法例的冷却效力问题。
连年来，跟着大尺寸、低残障密度GaN自援助衬底的束缚训诲，GaN垂直结构功率器件的研发得以取得长足的跳跃，为冲破横向结构HEMT器件在高压领域的局限性提供了可能性。
比拟SiC，GaN器件此前照旧在LED照明、快充及无线充电、5G射频通讯等领域得到了大宗使用。
除此之外，汽车、工业和数据中心瞻望也将成为GaN器件往日新的增长驱能源。垂直GaN功率器件不错通过延长电动汽车的行驶里程和裁减充能时候来提高电动汽车的基人性能，瞻望往日将有显耀的需求增长。
同期，电网亦然垂直结构GaN器件的另一个潜在应用领域。非凡是由于其快速的雪崩击穿反馈，垂直结构GaN-PN二极管有望保护电网免受电磁脉冲（EMP）引起的快速电压瞬变的影响。
可见，凭借诸多性能脾气和上风，垂直型GaN有望进一步拓展在中高压领域的应用。
证据TrendForce集邦考虑《2023寰宇GaN功率半导体阛阓分析讲解》浮现，寰宇GaN功率元件阛阓规模将从2022年的1.8亿好意思金成长到2026年的13.3亿好意思金，复合增长率高达65%。
2022-2026年寰宇GaN功率半导体阛阓趋势
西洋日，率先取得*身位
连年来，跟着高质地单晶GaN衬底的买卖化，垂直型GaN器件得到快速发展，并渐渐由实验室连系迈向产业化，将具有更大的后劲推崇GaN材料的上风并擢升器件性能。
归来产业发展历程，据战术考虑公司KnowMade的《垂直GaN功率器件IP竞争近况》讲解浮现，垂直GaN功率器件的学问产权 (IP) 开发在2000年代中期开动起步，由住友电气、ROHM、丰田汽车等日本公司主导。
直到2012年，每年的发明数目仍然相对较低。从2013年开动，在住友电气、丰田合成、首尔半导体和Avogy（其功率GaN专利于2017年转让给NexGen）的推动下，发明行为急剧增多。自2015年以来，垂直GaN功率器件的IP行为已达到平台期，出现了富士电机、电装、松下和博世等新的*创新者。
彼时，西洋厂商也开动加大对垂直型GaN的探索，一些驰名企业也在进入这一IP领域，举例2020年imec与根特大学合营，旨在开发半垂直和垂直GaN功率器件。与此同期，imec 开发了一种共同集成垂直GaN功率二极管和晶体管的设施。
自2019年以来，包括CEA在内的其他欧洲主要连系机构也收复了该领域的学问产权行为。有法国连系组织一直与CNRS合营开发新式垂直GaN功率器件，并于2022年发布了另外两项发明，描述垂直GaN FET和二极管。
博世自2012年以来也开发了此类垂直开辟，2014年公开*份专利，然则直到2019年博世才活跃在这一领域，2021年加速了垂直功率GaN本领的IP战术，领有杰出15个新专利族发明。
在好意思国，由康奈尔大学连系东说念主员Rick Brown和James Shealy于2019年创立的初创公司Odyssey Semiconductor于2022年进入垂直功率GaN器件专利领域。
能看到，依托在半导体领域的本领积蓄和上风，经过数年在垂直型GaN功率器件领域的研发参加，以好意思国、日本、欧洲为代表的国度和地区取得了丰硕后果，已奏效研制出多种垂直型GaN功率晶体管与功率二极管。
近段时候来也在接踵发布创新址品和本领动态。
NexGen：科技新星，须臾倒闭
2017年Avogy歇业后，其首席引申官Dinesh Ramanathan创立了一家初创公司NexGen Power Systems，该公司收购了Avogy的功率GaN专利。2021 年，NexGen开动在该领域开展我方的专利行为。
2023岁首，NexGen开动请托用于高功率应用的寰宇首批700V和1200V垂直GaN器件的工程样品。据先容，其1200V垂直GaN e模式Fin-jFET是*已奏效演示1.4kV额定电压下高频开关的宽带隙器件。这些开辟瞻望将于2023年第三季度开动全面坐蓐。
NexGen首席引申官Shahin Sharifzadeh暗示：“莫得其他半导体器件不错与NexGen Vertical GaN提供的性能特征相匹配，咱们相称自爱八成成为*家从纽约州锡拉丘兹工场提供使用垂直GaN的700V和1200V器件坐蓐样品的GaN本领。”
NexGen的半导体将使客户八成开发出使用硅、碳化硅或硅基氮化镓本领无法已毕的电源科罚决议。2023年6月，NexGen又秘书与GM通用汽车的合营名堂取得好意思国能源部(DoE)的资助，所获资金辩论用于垂直氮化镓半导体的电动驱动系统，而与通用合营，有望鼓舞垂直GaN器件的上车程度。
然则，就在其发展旭日东升的势头下，近日有媒体音书报出，总投资杰出10亿元的GaN企业NexGen已秘书歇业倒闭，旗下总投资杰出1亿好意思元的晶圆厂也已关闭。据败露，倒闭的原因是难以取得风险融资，公司运营照旧举步维艰。
OKI&信越化学：垂直GaN本领新冲破
前不久，冲电气工业株式会社（OKI）与信越化学秘书奏效开发出一种本领，该本领使用OKI的CFB（晶体薄膜键合）本领，从信越化学特殊改换的QST（Qromis衬原来领）基板上仅剥离GaN功能层，并将其粘合到不同材料的基材上。
该本领已毕了GaN的垂直导电，有望将制酿资本降至传统制酿资本的10%，同期为可收敛大电流的垂直GaN功率器件的制造和买卖化作念出孝敬。
同期，针对面前法例垂直GaN功率器件大规模普及的两点要素：受晶圆直径法例的坐蓐率；不可在大电流下已毕垂直导电。
OKI和信越化学也提议了科罚决议。
针对晶圆方面，信越化学的QST基板是特地为GaN外延滋长而开发的复合材料基板，以“CTE 匹配中枢”为中心，中枢是一个陶瓷（主如若氮化铝）中枢，其热延迟通盘与GaN极度，不错阻扰翘曲和裂纹，从而可之外延滋长大直径、高质地的厚膜GaN。这一脾气使得即便在大于8英寸的晶圆上也八成滋长具有高击穿电压的厚GaN薄膜，撤废晶圆直径的法例。
据了解，信越化学照旧已毕了20μm以上的高质地GaN外延滋长。“通过使用多种本领，咱们照旧已毕了约5 x 106的残障密度。换句话说，不错将残障密度指责到庸俗硅基GaN的约1/1000。”
另一方面，OKI的CFB本领可从多样基材上剥离功能层，并专揽分子间力将其粘合到不同材料制成的基材上。其领先是为了减小公司打印机中安设的打印头 LED 阵列的尺寸和资本而开发的。具体而言，将由化合物半导体制成的LED晶体薄膜剥离并径直粘合到由硅制成的驱动IC上。
2022年7月傍边，OKI有时发现了信越化学的QST衬底上的GaN，这导致了诱骗QST衬底和CFB本领的新本领的开发。OKI的CFB本领不错从QST衬底上仅剥离GaN功能层，同期保抓高器件脾气。GaN晶体滋长所需的绝缘缓冲层不错被去除并通过允许欧姆战争的金属电极接合到多样衬底上。将这些功能层粘合到具有高散热性的导电基板上将已毕高散热性和垂直导电性。
OKI和信越化学的纠合本领科罚了上述两大挑战，为垂直GaN功率器件的社会化铺平了说念路。
Odyssey：翻新性创新
在垂直GaN玩家中，好意思国Odyssey公司开发了一种翻新性的设施来在GaN中已毕区域聘请性掺杂区域，为已毕垂直传导器件掀开了大门。
其秘书完成650V以及1200V两种耐压等级GaN垂直结构结型场效应晶体管器件的居品化开发，证据垂直结构GaN功率电子器件照旧作念好了迈入阛阓的前期准备。
据了解，Odyssey公司正在专揽高质地的块状GaN晶圆动作其独到的垂直传导功率开关晶体管的衬底，这些衬底允许滋长额定电压高于1000V的晶体管所需的低残障密度器件层。
按照他们的说法，在Si上滋长的GaN，残障密度为108-1010cm²，这些残障会影响器件的高压操作可靠性。因此，阛阓上莫得额定电压高于900V的GaN HEMT的买卖化发布，大多数仅限于650V。而Odyssey的翻新性设施使得在GaN衬底上滋长的垂直传导GaN器件每单元面积减少了约1000-10000个残障，这将允许在高达10000V及以上的电压下可靠运行。尽管GaN衬底更粗鲁，但比拟SiC，GaN器件所需要的晶圆尺寸要小得多，这使得它们联系于具有相同额定值的SiC器件在坐蓐方面具有竞争力。
据悉，Odyssey的垂直GaN居品样品制作完成，包括责任电压为650V和1200V两种，于2023年*季度开动向客户发货。650V部分是现在更大的阛阓，瞻望将以20%的复合年增长率增长，1200V居品细分阛阓瞻望将以63%的复合年增长率更快地增长，并将在2030年傍边成为更大的阛阓。Odyssey公司的辩论是总计取代面前由SiC干事的更高功率器件阛阓。
YESvGaN名堂：垂直GaN薄膜晶体管
另一个对垂直GaN感深嗜的是欧洲财团在2021年所发起的YESvGaN名堂，连系一种新式垂直GaN功率晶体管，该晶体管以与硅极度的资本已毕垂直WGB晶体管的性能。
在功率半导体领域，欧洲一直是具备深厚的基础和本领积蓄。YESvGaN定约是博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企业和德国连系机构Fraunhofer IISB、Ferdinand Braun Institute、比利时根特大学、西班牙瓦伦西亚大学等散布在7个国度诞生据点的23家公司/组织构成，由欧盟的连系开发名堂“ECSEL”JU”以及欧洲列国提供的资金。
该连系正朝着已毕两种垂直脾气的标的进行，同期取得在硅或蓝相持衬底上异质外延滋长GaN的资本上风。
之是以不可接受GaN on Silicon，开始是因为它需要绝缘缓冲层，蓝相持自己亦然绝缘体。因此，该名堂正在入辖下手开发一种“垂直GaN薄膜晶体管”，它在GaN滋长后去除器件区域正下方的缓冲层、硅和蓝相持衬底自己，并从后面径直绽放到GaN层金属触点。辩论是使用*300mm的硅或蓝相持晶圆已毕耐压为650V-1200V级的纵型GaN功率晶体管。据称这种形式不错兼顾低资本和高耐压。
下图浮现了YESvGaN的一些主要连系设施和所要进行的责任，主要包括：
为已毕650V-1200V级别，在*300mm的硅/蓝相持衬底上已毕厚漂移层外延滋长的本领开发；
*1200V/100A导通电阻4mΩcm²垂直GaN功率晶体管的开发及与硅IGBT资本沟通的工艺本领；
通过干法蚀刻去除硅衬底和睦冲层，通过激光剥离形成蓝相持衬底的举高和千里降战争，以及通过先进的接合和泥带已毕后面功率元化固定本领；
对功率晶体管组件和互连本领的开发，还有相应的可靠性脾气评估；
为开发的功率晶体管创建数据表并在多个应用演示机中演示系统效力改换。
在PCIM Europe 2023上，博世展示了其YESvGaN名堂的进展，博世照旧已毕在硅和蓝相持上滋长了二极管击穿电压杰出500V的堆叠层，并在150mm GaN on Silicon晶圆上去除了硅，形成了4μm厚、*直径为5mm的GaN薄膜。不外博世还莫得到最终晶体管完成的阶段，面前正在围绕着考证本领是否可行进行大宗的连系。如果该本领得以已毕，将有望加速垂直GaN的量产化。
除此之外，比利时的连系实验室imec在200毫米晶圆上展示了冲破性的GaN工艺，它与Aixtron的开辟合营，imec照旧评释了GaN缓冲层的外延滋长，可用于200mm QST衬底上的1200V横向晶体管应用，硬击穿电压杰出1800V。
总之，垂直GaN的研发是面前行业的一大努力标的，好意思欧日等国度和地区的这些企业和机构正在努力推崇和挖掘GaN在大电压下的后劲。
2000年以来推动垂直GaN功率器件关连发明行为的主要参与者（图源：KnowMade）
垂直GaN本领，中国磨拳擦掌
反不雅中国阛阓，2017年，中国科技部也启动了“第三代半导体的衬底制备及同质外延”要点研发辩论以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN功率器件的发展。
比拟之下，中国在垂直型GaN器件标的的连系起步较晚，本领储备较弱，和海外存在差距。面前仅有北京大学、浙江大学、深圳大学、中镓科技、中国科学院苏州纳米本领与纳米仿生连系所等少数几家单元奏效研制垂直型GaN功率器件，且主要为垂直型GaN-on-GaN功率二极管。
由于功率二极管结构及工艺相对通俗，且动作电力电子电路中不可或缺的基础器件，相称符合在新式垂直型GaN-on-GaN器件发展的初期动作工艺开发、本领探索与机制分析的主要连系对象。
在性能上，新式垂直结构GaN-on-GaN功率二极管八成从根底上冲破传统平面型GaN-on-Si器件在击穿电压、动态导通性能等方面的法例，更大程度地推崇GaN材料自己的上风，有望成为高压、高效、快速的电力电子系统发展的新标的，尤其是现时高质地本征GaN衬原来领的日趋训诲将有望为这一领域开启新的篇章。
而近期，KnowMade机构在连系垂直GaN器件本领的专利近况时指出，连年来中国在垂直GaN发明行为方面正在逐步取代日本处于*地位。
其中，以西安电子科技大学和电子科技大学为首的连系机构引导的中国玩家似乎在发明行为方面处于*地位，自2020年以来逐步地超越日本玩家。
2001-2022年垂直GaN功率器件关连专利出书物的时候演变趋势（图源：KnowMade）
据了解，垂直GaN领域的大多数IP新东说念主来自中国。
2019年以来进入专利领域的主要学问产权新来者是山东大学、西安交通大学等中国连系机构和企业，其中之一是初创公司聚力成半导体（GLC Semiconductor），专注于GaN外延片的研发和坐蓐。该公司在2020年败露了多项与垂直GaN FET结构关连的发明，与大多数中国企业仅在中国寻求发明保护不同，GLC除了中国大陆之外，还奏效在好意思国和中国台湾提交了多项专利肯求。
此外，主要的GaN单晶衬底供应商包括有国内的纳维科技、吴越半导体、中镓半导体、镓特半导体等。
苏州纳维在2017年率先推出4英寸GaN单晶衬底，况兼还暗示冲破了6英寸的关节中枢本领；2018年2月，东莞中稼半导体秘书，在国内初次试产4英寸自援助GaN衬底，并在2019年10月发售4英寸自援助氮化镓衬底；2020年3月，镓特半导体秘书开发出4英寸掺碳半绝缘GaN晶圆片，并暗示“镓特是*家，亦然*一家坐蓐4英寸半绝缘氮化镓晶圆片的公司”。
同期，上述中国大学也在将要点放在中国以保护其发明，以及在快速发展的功率SiC产业中，高校和科研院校在通过合营、专利转让等形式推动国内新企业的出现。
证据面前的IP趋势，中国可能很快就会成为垂直GaN专利最活跃的阛阓。
概述来看，面前好意思国、日本、欧洲等国度和地区已研制出多种垂直型GaN器件，部分企业已毕小批量供货。我国垂直型GaN器件研发起步晚，在本领、表面、工艺等方面与海外比拟仍存在差距，但追逐速率正在快速擢升。
历经20年创新，垂直GaN本领IP竞赛才刚刚开动。KnowMade在讲解中指出，“尽管自2000年代以来照旧肯求了1000多个专利族来涵盖垂直GaN本领的发展，但迄今为止IP竞争一直相称慈详。然则，事实上，面前包括现存汽车公司在内的一些参与者仍在投资垂直GaN本领，一些训诲的学问产权参与者（富士电机、丰田汽车）和相对较新的学问产权参与者（电装、博世）正在加速其专利肯求。因此，垂直GaN专利花样瞻望在往日十年内竞争将变得越来越强烈。”
跟着垂直GaN本领的抓续发展，行业厂商将辛苦于为垂直GaN功率器件的工业化和买卖化作念好准备，理睬新的阛阓机遇。
写在临了
受阛阓远景招引，垂直GaN行业风靡云涌，正在迎来新发展。
但需要注主意是，动作电力电子本领的一个新兴连系热门，垂直型GaN-on-GaN功率器件的发展和关连连系尚处于起步阶段，仍然存在诸多关节本领挑战。比如，直径小，尺寸仅为2至4英寸；GaN晶圆价钱粗鲁等，齐是行业亟待科罚的新挑战。
往日，跟着连系束缚潜入、本领冲破，垂直型GaN器件阛阓将迎来精深发展远景。在这个流程中，国表里厂商齐在励兵秣马，力图在这个竞争强烈的阛阓寻到我方的一派太空。
参考实践
电子与封装：特邀综述 | GaN垂直结构器件结结尾策划
Semiconductor：垂直GaN功率器件IP竞争近况
李博等，《垂直氮化镓功率晶体管过火集成电路的发展情状》
孙涛，《高压低功耗新式氮化镓功率器件机理及结构连系》
徐嘉悦，《GaN垂直结构器件结结尾策划》
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