兩家公司倒在量產(chǎn)前夕，垂直GaN為什么落地難
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）今年一月，電子發(fā)燒友網(wǎng)曾報(bào)道專注于垂直GaN器件的美國GaN IDM初創(chuàng)公司NexGen Power Systems破產(chǎn)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(chǎn)，并在出售資產(chǎn)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(biāo)亮眼的垂直GaN器件工程樣品，但都倒在了量產(chǎn)前的道路上。而另一邊功率GaN行業(yè)在充電頭應(yīng)用中爆發(fā)之后，已經(jīng)拓展到各大電源應(yīng)用領(lǐng)域，近年英飛凌、瑞薩等功率半導(dǎo)體巨頭也在積極并購市場(chǎng)上的GaN芯片公司。
盡管一些專注于垂直GaN的公司已經(jīng)倒下，但從技術(shù)上看，垂直GaN依然具備很大的應(yīng)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(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單可以理解為器件中陽極和陰極相對(duì)的位置，目前大多數(shù)硅基GaN器件是平面型結(jié)構(gòu)，即陽極和陰極處于芯片同一平面上，導(dǎo)通電流在器件中橫向流動(dòng)；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(dǎo)通電流是豎向流動(dòng)。
相比橫向的硅基GaN或是SiC基GaN器件，垂直GaN器件由于需要采用GaN襯底同質(zhì)外延層，具有更低的位錯(cuò)密度，器件可靠性高，性能也更高。而具體到器件上，GaN二極管和晶體管都能采用垂直結(jié)構(gòu)。
由于器件結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，在相同的器件面積下，可以通過增加位于晶體管內(nèi)部的漂移層（用于傳導(dǎo)電流）的厚度，來提高電壓等級(jí)，能夠用于更高電壓的應(yīng)用中；同時(shí)，電流導(dǎo)通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度。
另外，垂直結(jié)構(gòu)能夠更容易產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，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(fā)生，隨后導(dǎo)致雪崩電流增加?xùn)旁措妷翰⑶覝系来蜷_并導(dǎo)通。這是一種設(shè)備自我保護(hù)的重要屬性，如果器件兩端電壓或?qū)ǖ碾娏鞒霈F(xiàn)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(yùn)行，在工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)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(zhǎng)以及電學(xué)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(chǎng)往往出現(xiàn)在遠(yuǎn)離表面的位置，從而增強(qiáng)抗擊穿的魯棒性，但這也導(dǎo)致了垂直結(jié)構(gòu)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(jià)格極高。
目前主流的制作方式是先在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出GaN厚膜，分離后的GaN厚膜再作為外延用的襯底。據(jù)某國內(nèi)GaN器件廠商透露，目前2英寸的GaN襯底價(jià)格高達(dá)1.5萬元人民幣，而8英寸硅外延片的市場(chǎng)價(jià)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(yè)上失敗的重要原因。
垂直GaN領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，中國專利崛起
盡管商業(yè)化進(jìn)展目前不太理想，但作為性能上具備優(yōu)勢(shì)的技術(shù)路線，業(yè)界從研究機(jī)構(gòu)到公司，都在持續(xù)投入到垂直GaN的開發(fā)和創(chuàng)新當(dāng)中。
比如前面提到GaN襯底成本過高的問題，實(shí)際上目前業(yè)界也出現(xiàn)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(xué)和北京大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(yè)株式會(huì)社）和 信越化學(xué)合作開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，據(jù)稱可以降低垂直GaN器件90%的制造成本。這種技術(shù)采用信越化學(xué)專門為GaN外延生長(zhǎng)而開發(fā)的QST基板，由于熱膨脹系數(shù)與GaN相匹配，因此在生長(zhǎng)GaN外延的過程中缺陷密度極低，可簡(jiǎn)化緩沖層，降低生長(zhǎng)時(shí)間，提升制備效率。
同時(shí)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(shù)創(chuàng)新的背后，從專利的數(shù)量也能夠看出垂直GaN領(lǐng)域的活躍情況。
根據(jù)knowmade的報(bào)告，垂直GaN功率器件的專利開發(fā)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(lǐng)導(dǎo)；在2009到2012年陷入了瓶頸期，每年的發(fā)明專利數(shù)量較少；2013年在住友電工、豐田、首爾半導(dǎo)體、Avogy（2017年轉(zhuǎn)讓專利到NexGen）等玩家推動(dòng)下，專利活動(dòng)迎來了爆發(fā)。
后續(xù)富士電機(jī)、電裝、松下、博世等玩家的加入，為垂直GaN功率器件領(lǐng)域注入了新鮮血液。而從2019年開始，中國山東大學(xué)和西安交通大學(xué)開始進(jìn)入垂直GaN領(lǐng)域的開發(fā)，并獲得大量新的專利IP；在企業(yè)方面，聚力成半導(dǎo)體則成為了垂直GaN領(lǐng)域重要的中國公司之一。
報(bào)告中還提到，近幾年中國大學(xué)研究機(jī)構(gòu)開始加強(qiáng)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視，特別是西安電子科技大學(xué)和電子科技大學(xué)。這也意味著國內(nèi)大學(xué)研究機(jī)構(gòu)在垂直GaN賽道上正在產(chǎn)出創(chuàng)新的技術(shù)，并利用專利組合來推動(dòng)國內(nèi)垂直GaN技術(shù)的發(fā)展。
當(dāng)然，整體來看，日本依然在垂直GaN的知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域占有主導(dǎo)位置，這與日本在GaN材料領(lǐng)域起步較早有很大關(guān)系。
寫在最后
垂直GaN作為下一代功率半導(dǎo)體的重要技術(shù)之一，商業(yè)落地受到很多方面的制約，產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模實(shí)際上也稱不上大。但創(chuàng)新技術(shù)往往距離實(shí)用落地僅一步之遙，持續(xù)的投資是支撐新技術(shù)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(chǎn)品量產(chǎn)前夕。也希望隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟以及新的降本技術(shù)出現(xiàn)，能夠讓垂直GaN更快幫助不同領(lǐng)域的應(yīng)用升級(jí)。
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