本文来自微信公众号： 电子工程世界 ，作者：付斌
提到氮化镓（GaN），多数人会想到 650V 以下的快充等消费场景。即便部分 GaN HEMT 能达到 1200V、10kW 开关功率，商用横向 GaN 的击穿电压仍有局限。为让 GaN 突破 650V 领域，在 10kW~10MW 高功率场景发挥作用，垂直结构应运而生——它能在不扩大芯片尺寸的前提下提升击穿电压，还能通过将峰值电场与热量转移到体衬底，优化可靠性与热管理。
但 vGaN 过去的痛点一直是成本，氮化镓晶圆价格高昂，制约了经济可行性。不过这一局面似乎正被打破。安森美（ONsemi）近期推出划时代的垂直 GaN（Vertical GaN，vGaN），已向早期客户提供 700V 和 1200V 样品，目标直指 AI 数据中心 800V 系统、电动汽车、储能等原本独属于 SiC 的领域，GaN 的发展轨迹正在被改写。
vGaN，即将规模化？
回顾前几年，专注于 vGaN 的 NexGen 曾在 2023 年圣诞节前夕宣布破产，工厂随之关闭，工人也被解雇。2025 年 1 月，安森美（ONsemi）以 2000 万美元的价格购买了位于纽约州德威特的原 NexGen Power Systems 氮化镓晶圆制造厂，包含 NexGen 的知识产权以及 NexGen 所拥有的 DeWitt 工厂的设备。
NexGen 此前在 vGaN 领域颇有进展：2023 年 2 月，NexGen 宣布将提供 700V 和 1200V 的 GaN 样品；2023 年 7 月，NexGen 还宣布与通用汽车合作的 GaN 主驱项目已获得美国能源部 ( DoE ) 的资助——使用 NexGen 的 vGaN 器件来开发的电力驱动系统。但故事随着破产戛然而止。
而现在，安森美（ONsemi）在收购 NexGen 后，重新将 vGaN 发扬光大，并成为率先将 vGaN 规模化的企业。在其官网上，安森美充分介绍了在吸纳了这家公司后，vGaN 的最新进展。
首先，对于 vGaN 来说，稳定的制造和供应是最重要。从 PPT 中，我们看到了安森美的野心：其研究人员研究这项技术已超过 15 年，拥有 130+ 项专利，研发工作在一座面积达 66，000 平方英尺的洁净室设施内进行，该设施配备了用于 vGaN 生产的专用设备。下一代 GaN-on-GaN 将在安森美位于纽约州锡拉丘兹的晶圆厂开发和制造。
平面 / 横向 GaN 器件通常基于非本征 / 异质衬底，如 Si、SiC、蓝宝石，或者说 GaN-on-Si/SiC/ 蓝宝石，但 vGaN 器件峰值电场往往出现在远离表面的位置，所以主流采用同质衬底，即 GaN 自支撑，也就是 GaN-on-GaN。一直以来，GaN-on-GaN 成本较高，所以有些企业 / 团队选择研究 GaN-on-Si。
安森美 vGaN 选择采用了 GaN-on-GaN 同质外延结构。安森美还放出了一张 PPT，展示了 GaN-on-GaN 的优势：
核心工艺采用安森美专有 GaN 生长工艺，直接在 GaN 晶圆上生长厚且无缺陷的 GaN 层，需高精度外延技术与创新制造方法。pGaN 和 nGaN 通过外延生长。值得注意的是，安森美解决了一个关键难题：掌握图案化表面上 pGaN 再生长技术（GaN 掺杂需在外延生长中原位进行，pGaN 再生长难度极高），并拥有该技术的多项专利。
晶体结构上，具有六方纤锌矿结构，具备独特的电子与光学特性，高键合强度、低本征缺陷，稳定性与可靠性优于传统材料（Si、SiC、横向 GaN）。生长在极高温度下生长，进一步提升 vGaN 器件的稳定性与性能。
其次，器件的实现也是 vGaN 的重要课题。根据其 PPT 显示，安森美选择采用 e-JFET（结型场效应晶体管）的器件形式，提供可扩展、高导电功率开关，实现了较低的整体导通电阻 RDS ( ON ) ，具备完整的雪崩能力。
目前，根据安森美的披露，其已向早期客户提供 700V 和 1200V 器件样品，通过技术演示可实现最高 3300V 的电压等级。
在效率和尺寸上，其 vGaN 也实现了能降低能量损耗、减少热量产生，使功率转换器缩小至平装书大小，实现系统小型化与高集成度。
最后，应用也相当重要。安森美认为 vGaN 可以充分满足当前市场需求，能够满足 AI 数据中心对于提升计算密度的需求、满足 EV 延长续航和快充的需求、满足可再生能源降本增效的需求，并解决传统材料（Si、SiC）在效率与尺寸上的瓶颈，通过对比来看，GaN 本身的材料属性，便可天生应对高频的应用：
当然，随着 GaN 能够逐渐应对一些大功率的场景，那么它该和 SiC 怎么分配。安森美作为一家深耕 SiC 的公司也给出了答案—— IGBT、SiC、SJ、vGaN 这些技术有重合，但也有属于自己的擅长领域：
从横向到垂直，怎么就更好了
可能有些人有疑问，为什么电流从横向变成垂直，器件的击穿电压就更高了，GaN 为什么就能应对 650V 以上甚至是 3300V 场景了？
垂直结构之所以具备优势，核心在于它更容易触发雪崩效应。当电压超过击穿值时，雪崩现象会先通过反向极化的栅源二极管发生。随着雪崩电流逐渐增大，栅源电压会随之升高，进而让器件的沟道打开并实现导通。这种雪崩特性是器件自我保护的关键：一旦器件两端电压或导通电流出现峰值，具备该特性的器件就能吸收这些电涌，确保自身保持正常运行状态。
此外，vGaN 半导体的电流垂直流经材料层，从而大幅降低了单位面积电阻，能够提高能效，减少功率转换损耗，特别适用于电动汽车的逆变器和其他高频、高效能的应用。
vGaN 器件在结构上还自带独特优势。一方面，在器件面积相同的前提下，它可以通过增加晶体管内部漂移层（主要作用是传导电流）的厚度，来提升自身的电压等级，从而适配更高电压的应用场景。另一方面，它的电流导通路径面积更大，这使得它能够承受更高的电流密度，在高电流工况下也能稳定工作。
怎么判断一个器件是 vGaN 还是横向 GaN？事实上，我们要反推到晶圆上，晶圆虽然是薄薄的一片，但也分正反面。栅极（G）、源极（S）、漏极（D）都在正面的，但通过某种方式，让电子移动路径变为"源极→垂直向下→横向流过外延层→再垂直向上到达漏极"的叫做准垂直型（Quasi-vertical）GaN，G、S 在正面而 D 在背面的则为全垂直型（Full-Vertical）GaN。
从器件实现上来看，横向 GaN 中大多采用高电子迁移率晶体管（HEMT）设计，GaN HEMT 与传统硅基功率晶体管相比，具有显著的性能优势，且成本越来越低。横向结构的另一个优点是有潜力在氮化镓功率 HEMT 芯片上集成有源或无源器件，实现诸如栅极驱动器、传感或保护电路等功能，这就是所谓的氮化镓功率集成电路或氮化镓功率集成。
不过，HEMT 结构缺点是在另一衬底上外延生长（异质外延生长）时，在晶体层中会出现许多晶格缺陷。对于硅上生长的氮化镓，缺陷密度 10 8 至 10 10 cm ‒ 2 。这些缺陷会影响部件在高压下的可靠性。因此，目前市场上没有额定电压超过 900V 的 GaN HEMT，大多数端电压最高为 650V。
GaN-on-Si HMET 结构代表原理图，图源丨 NexGen
实现 vGaN 器件主要有五种方法：
沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（Trench MOSFET）；
鳍式场效应晶体管（FinFET）；
结型场效应晶体管（JFET）；
垂直结构肖特基二极管（SBD）；
电流孔径垂直电子晶体管（CAVET）。
不同厂商采用了不同的路线：桑迪亚国家实验室、山大 / 华为采用沟槽栅极垂直 MOSFET、安森美（NexGen）采用 JFET、Odyssey 采用平面栅极 MOSFET 和 FinFET、中镓科技采用垂直 GaN-on-GaN SBD。
CAVET 比较特殊，具有与传统 HEMT 相同的异质结构和相同的栅极模块。在 CAVEAT 中，源区域由在 AlGaN/GaN 界面附近的 GaN 通道中形成的二维电子气体（2DEG）组成，如 HEMT 中。沟槽孔将 2DEG 连接到孔径下方的 n-GaN 区域中形成的漏极。位于孔径上方的肖特基栅极调节器件的电流。如下图：
厂商不断加码
除了安森美，其实 vGaN 的市场还是很热闹的，很多厂商都在不断推进 vGaN 的规模化落地。
2024 年 5 月，Power Integrations（PI）宣布收购 Odyssey 资产，而 Odyssey 恰好是一家 vGaN 公司。Odyssey 不止一次强调，其 650V 和 1200VvGaN 器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数，其导通电阻仅为碳化硅 ( SiC ) 的十分之一，并且工作频率显着提高。2022 年，Odyssey 表示已获得三个客户的承诺来评估这些第一代产品样品。2023 年，Odyssey 表示正在美国制造工作电压为 650V 和 1200V 的 vGaN FET 晶体管样品。
信越化学
信越化学主要掌握两个关键技术，有望将材料成本降低 90%：一是用 GaN 工程衬底实现了 1800V 耐压，2019 年信越化学获得了美国 QROMIS 的 ( QST ) 工程衬底专利许可；二是衬底剥离技术，QST 衬底至今未被大规模商用的原因在于缺乏高效剥离技术，信越化学联合日本冲电气工业（OKI）开发了 CFB（晶体膜键合）技术，实现了 GaN 功能层与 QST 衬底的分离，同时还很好地解决缺陷问题，从而使高质量的 QST 衬底得到极大的改进。
博世
博世对 vGaN 也跃跃欲试。2022 年，消息称博世在采用一家 GaN 初创公司的外延技术开发垂直氮化镓器件。
此外，博世在欧洲还参与了由公共资金支持的" YESvGAN "项目，旨在与超过 20 家工业伙伴共同推动 vGaN 半导体技术的突破。
Hexagem
2022 年报道显示，隆德大学的衍生公司 Hexagem 正在开创一种垂直纳米线生长工艺，与现今典型的横向 GaN 器件相比，这些 vGaN 器件每平方厘米包含的缺陷要少得多。Hexage 在 2015 年从隆德大学分立而出，Hexagem 的路线是独一无二的。其正在使用硅衬底并结合独特的纳米线聚结技术。
Vertical Semiconductor
一家新成立的公司，在近期刚刚拿到 1100 万美元种子轮融资，由 Playground Global 领投，信越化学（Shin-Etsu Chemical）、JIMCO Technology Ventures 与 milemark•capital 共同参与。该公司用一项源自 MIT 实验室的 vGaN 结构，挑战数据中心电力路径的密度极限。
山大与华为
山东大学和华为前阵子发布了一个论文，宣布在中国使用氟（F）离子注入终端（FIT）在全垂直氮化镓（GaN）硅基硅（Si）沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中实现了 1200V 击穿性能。
该团队创新地应用氟注入终端结构的 1200V 全垂直 Si 基 GaN 沟槽 MOSFET（FIT-MOS），氟注入终端 FIT 区域固有的具有负性电荷成为阻性区域，天然的隔离器件，取代了传统的 mesa 刻蚀终端（MET），消除了 mesa 边缘的电场集中效应，从而将 FIT-MOS 的 BV 从 MET-MOS 的 567V 提升到 1277V。此外，所制造的 FIT-MOS 表现出 3.3V 的 Vth，ON/OFF 为达到了 1e7，Ron，sp 为 5.6mΩ·cm2。这些结果表明，具有很好的性价比的 Si 基 GaN 垂直晶体管在 kV 级应用中具有很大的潜力。通常，电隔离 GaN 半导体器件都采用了 MET，但 MET 会导致相对尖锐的拐角，电场往往会拥挤，导致过早击穿。MET-MOS 全垂直 MOSFET 的击穿电压约为 650V。而改革团队的 FIT-MOS 器件的击穿电压达到 1277V，提升了超 125%。
FIT-MOS 的 vGaN 的指标很不错：比导通电阻（Ron，sp）：5.6mΩ·cm² 导通电流密度：8kA/cm² 开关电流比：10 ⁷阈值电压（VTH）：3.3V（E-mode）漂移层厚度：7μm
中镓科技
中镓科技曾宣布制备的垂直型 GaN – on-GaN SBD 器件同时实现了较高的击穿电压和较低的开启电压，以上各项数据均达到国际领先水平，与已报道的传统垂直型 GaN SBD 相比表现出了优异的特性。
此外，在 2022 年，中镓科技宣布与北京大学、波兰国家高压实验室开展了合作，使用乙烯气源制备出了世界最高电阻率的半绝缘 GaN 自支撑衬底。此外，在硅衬底上，广东致能全球首次实现了垂直的 GaN/AIGaN 结构生长和垂直的二维电子气沟道 ( 2DEG ) 。以此为基础广东致能实现了全球首个具有垂直 2DEG 的常开器件 ( D-mode HEMT ) 和垂直常关器件 ( E-mode HEMT ) 。
总结
当前 GaN 功率技术呈现出两大发展趋势。其一，是将系统外围设备与功率晶体管进行单片集成，这种方式不仅能降低系统成本与物料清单成本，更关键的是可以显著提升整体性能。其二，便是通过开发 vGaN 来提高器件的击穿电压，进而实现更高的开关功率。
随着安森美先一步在 vGaN 重点布局，一个全新的市场正在被开辟。
参考文献
[ 1 ] ONsemi：https://www.onsemi.com/company/news-media/press-announcements/en/onsemi-unveils-vertical-gan-semiconductors-a-breakthrough-for-ai-and-electrification
[ 2 ] Tohru Oka 2019 Jpn.J.Appl.Phys.58 SB0805.DOI:10.7567/1347-4065/ab02e7
[ 3 ] Bodospower：https://www.bodospower.com/pdf/bp_article_2262.pdf
[ 4 ] Powerelectronicsnews：https://www.powerelectronicsnews.com/advances-in-the-development-of-vertical-gan-transistor-technology/
[ 5 ] EETimes：https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/
[ 6 ] 宴小北：https://mp.weixin.qq.com/s/PfbRCFENmjPSA3BQ3zCXnQ
[ 7 ] 未来芯研究：https://mp.weixin.qq.com/s/skiKnkedpYGO35E5kVJL5g
[ 8 ] 三代半食堂：https://mp.weixin.qq.com/s/jj7WPn-k1cXG9WLdB-6OKA
[ 9 ] 博世汽车电子事业部：https://mp.weixin.qq.com/s/W9sGbIqPCdeB0b_vVp_Ibw
[ 10 ] 雅时化合物半导体：https://mp.weixin.qq.com/s/ccjdr2ZhqGKM8PFvgMScWw
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