电子发烧友网报道(文/梁浩斌)今年一月,电子发烧友网曾报道专注于垂直GaN器件的美国GaN IDM初创公司NexGen Power Systems破产倒闭;而在今年3月,另一家位于美国纽约州的垂直GaN器件公司Odyssey也宣布变卖旗下的晶圆厂资产,并在出售资产后解散公司。
这两家公司此前都拥有自己的晶圆厂,并都推出了性能指标亮眼的垂直GaN器件工程样品,但都倒在了量产前的道路上。而另一边功率GaN行业在充电头应用中爆发之后,已经拓展到各大电源应用领域,近年英飞凌、瑞萨等功率半导体巨头也在积极并购市场上的GaN芯片公司。
尽管一些专注于垂直GaN的公司已经倒下,但从技术上看,垂直GaN依然具备很大的应用前景。
衬底成本高,无法支撑垂直GaN落地
垂直GaN中“垂直”是指器件的结构,简单可以理解为器件中阳极和阴极相对的位置,目前大多数硅基GaN器件是平面型结构,即阳极和阴极处于芯片同一平面上,导通电流在器件中横向流动;而垂直型GaN一般是基于GaN衬底,GaN衬底底面为阴极,阳极则位于上方,导通电流是竖向流动。
由于器件结构上的优势,在相同的器件面积下,可以通过增加位于晶体管内部的漂移层(用于传导电流)的厚度,来提高电压等级,能够用于更高电压的应用中;同时,电流导通路径的面积大,可以承受较高的电流密度。
另外,垂直结构能够更容易产生雪崩效应,在超过击穿电压的情况下,雪崩最初通过反向极化栅源二极管发生,随后导致雪崩电流增加栅源电压并且沟道打开并导通。这是一种设备自我保护的重要属性,如果器件两端电压或导通的电流出现峰值,拥有雪崩特性的器件就可以吸收这些电涌并保持正常运行,在工业领域有很大的应用空间。
一般来说,目前主流的功率GaN都建立在硅基、SiC基等衬底上,由于GaN与其他衬底材料晶格匹配度较低,为了材料生长以及电学特性,需要在衬底与GaN外延层之间加入一层“缓冲层”,比如AlN/AlGaN。
但与横向器件不同的是,垂直GaN器件峰值电场往往出现在远离表面的位置,从而增强抗击穿的鲁棒性,但这也导致了垂直结构GaN器件需要建立在GaN衬底上。GaN单晶衬底目前由于制备效率低,价格极高。
目前主流的制作方式是先在蓝宝石衬底上生长出GaN厚膜,分离后的GaN厚膜再作为外延用的衬底。据某国内GaN器件厂商透露,目前2英寸的GaN衬底价格高达1.5万元人民币,而8英寸硅外延片的市场价不到300元。
包括NexGen 和Odyssey,都采用了GaN衬底来制造垂直GaN器件,成本居高不下或许也是商业上失败的重要原因。
垂直GaN领域持续创新,中国专利崛起
尽管商业化进展目前不太理想,但作为性能上具备优势的技术路线,业界从研究机构到公司,都在持续投入到垂直GaN的开发和创新当中。
比如前面提到GaN衬底成本过高的问题,实际上目前业界也出现了一些不需要GaN衬底的垂直GaN器件制造方法,比如今年2月北京理工大学和北京大学的合作团队开发了一种使用超薄AlGaN缓冲层,基于SiC衬底的垂直GaN SBD器件。
去年10月,日本两家公司OKI(冲电气工业株式会社)和 信越化学合作开发了一项新技术,据称可以降低垂直GaN器件90%的制造成本。这种技术采用信越化学专门为GaN外延生长而开发的QST基板,由于热膨胀系数与GaN相匹配,因此在生长GaN外延的过程中缺陷密度极低,可简化缓冲层,降低生长时间,提升制备效率。
同时8英寸QST衬底的成本与2英寸GaN衬底的成本大致相同,因此可以大幅降低器件的制造成本。
在技术创新的背后,从专利的数量也能够看出垂直GaN领域的活跃情况。
根据knowmade的报告,垂直GaN功率器件的专利开发从2005年开始起步,早期主要由日本公司,包括住友电工、罗姆、丰田等公司领导;在2009到2012年陷入了瓶颈期,每年的发明专利数量较少;2013年在住友电工、丰田、首尔半导体、Avogy(2017年转让专利到NexGen)等玩家推动下,专利活动迎来了爆发。
后续富士电机、电装、松下、博世等玩家的加入,为垂直GaN功率器件领域注入了新鲜血液。而从2019年开始,中国山东大学和西安交通大学开始进入垂直GaN领域的开发,并获得大量新的专利IP;在企业方面,聚力成半导体则成为了垂直GaN领域重要的中国公司之一。
报告中还提到,近几年中国大学研究机构开始加强对知识产权的重视,特别是西安电子科技大学和电子科技大学。这也意味着国内大学研究机构在垂直GaN赛道上正在产出创新的技术,并利用专利组合来推动国内垂直GaN技术的发展。
当然,整体来看,日本依然在垂直GaN的知识产权领域占有主导位置,这与日本在GaN材料领域起步较早有很大关系。
写在最后
垂直GaN作为下一代功率半导体的重要技术之一,商业落地受到很多方面的制约,产业投资规模实际上也称不上大。但创新技术往往距离实用落地仅一步之遥,持续的投资是支撑新技术落地的唯一路径,正如近一年里倒闭的两家垂直GaN公司,都倒在了产品量产前夕。也希望随着产业链的成熟以及新的降本技术出现,能够让垂直GaN更快帮助不同领域的应用升级。
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