SiC，地位未稳

大家以为SiC会在高压的一些市场坐稳地位的时候，GaN也要来挑战SiC的地位。GaN 的材料特性使其在高压电源开关应用中优于碳化硅 (SiC) 的选择。然而，GaN 加工技术尚未生产出可在 1,000 V 以上运行的可行 GaN 高压开关晶体管。迄今为止，SiC 一直是 650-1200V 应用的shouxuan宽带半导体，尤其是电动汽车和可再生能源中的逆变器。但是垂直GaN的发展正在成为SiC的有力竞争对手。

比较 Si、SiC和GaN在 10-10,000 V击穿电压下的特定导通电阻限值。

在此首先需要科普一下，GaN功率器件主要分为在硅片上形成GaN活性层的“水平型”和直接使用GaN衬底的“垂直型”。第一种水平型的可以以较低的成本获得GaN的高频特性，但不适合需要650V以上的高耐压的情况。第二种垂直型比水平型更适合高电压和大电流，但GaN晶圆价格昂贵，直径小，约为2至4英寸。如果能解决了成本的问题，那么垂直型的GaN功率器件也将具有一定的优势。

在垂直GaN的研发玩家中，首先是位于美国纽约州伊萨卡的Odyssey Semiconductor，该公司开发了一种革命性的方法来在GaN中实现区域选择性掺杂区域，为实现垂直传导器件打开了大门。Odyssey Semiconductor公司正在利用高质量的块状 GaN 晶圆作为其专有的垂直传导功率开关晶体管的衬底。这些衬底允许生长额定电压高于 1,000 V 的晶体管所需的低缺陷密度器件层。

按照他们的说法，在Si上生长的GaN，缺陷密度为～108至1010 cm²。这些缺陷会影响器件的高压操作可靠性。因此，没有任何额定电压高于900 V的GaN HEMT商业化发布，大多数jinxian于 650伏。而他们的革命性方法使得在GaN衬底上生长的垂直传导 GaN 器件每单位面积的缺陷减少了约 1000-10,000 个，这将允许在高达10,000 V及以上的电压下可靠运行。尽管GaN衬底更昂贵，但相比SiC，GaN器件所需要的晶圆尺寸要小得多，这使得它们相对于具有相似额定值的 SiC 器件在生产方面具有竞争力。

据悉，Odyssey Semiconductor公司的垂直GaN产品样品制作完成，包括工作电压为650V和1200 两种，并于2023年第一季度开始向客户发货。据报道，650V部分是当今更大的市场，预计将以 20% 的复合年增长率增长。1200 V产品细分市场预计将以 63% 的复合年增长率更快地增长，并将在本十年的下半年成为更大的市场。该公司的目标是完全取代目前由SiC服务的更高功率器件市场。

另一个对垂直GaN感兴趣的欧洲的财团所发起的YESvGaN项目，他们从2021年开始研究一种新型垂直GaN功率晶体管，该晶体管以与硅相当的成本实现垂直 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技术积累，该财团背后也是集聚了欧洲dingjian的企业和组合。YESvGaN联盟是博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企业和德国研究机构Fraunhofer IISB、Ferdinand由Braun Institute、比利时根特大学、西班牙瓦伦西亚大学等在7个国家设立据点的23家公司/组织组成，欧盟的研究开发项目“ECSEL”JU”以及欧洲各国提供的资金。

他们研究的方向是，通过GaN在硅和蓝宝石底板上的异端外延增长获得成本优势，同时兼顾垂直特性。原本GaN on Silicon (GaN在硅基板上的生长)之所以不能制造垂直形状，是因为需要绝缘性缓冲层。另外，蓝宝石本身就是绝缘体。因此，该项目将GaN生长后器件区域正下方的缓冲层和硅、蓝宝石衬底本身去除，从背面直接通过金属接触与GaN层连接，这称为是“垂直GaN薄膜晶体管”。该项目目前正在进行的开发目标是使用300mm的硅或蓝宝石晶圆，制造出耐压650 ~ 1200V级别的垂直GaN功率晶体管，虽然厚度只有几微米，但垂直的结构的优点和GaN onSilicon或GaN on Sapphire的低成本将成为可能。

下图显示了YESvGaN的一些主要研究步骤和所要进行的工作，主要包括：1）为实现650 ~ 1200v级别，在最大300mm的硅/蓝宝石衬底上实现厚漂移层外延生长的技术开发；2）最大1200V/100A导通电阻4mΩcm²垂直GaN功率晶体管的开发及与硅IGBT成本相同的工艺技术；3）通过干法蚀刻去除硅衬底和缓冲层，通过激光剥离形成蓝宝石衬底的抬高和沉降接触，以及通过先进的接合和泥带实现背面功率元化固定技术；4）对功率晶体管组件和互连技术的开发，还有相应的可靠性特性评估；5）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率改进。

在全球最大的电力电子展 PCIM Europe 2023（2023 年 5 月 9 日至 12 日，德国）上，博世展示了其YESvGaN项目的进展，博世已经实现在硅和蓝宝石上生长了二极管击穿电压超过500V的堆叠层，并在150mm GaN on Silicon晶圆上去除了硅，形成了4μm厚、最大直径为5mm的GaN薄膜。不过博世还没有到最终晶体管完成的阶段，目前正在围绕着验证技术是否可行进行大量的研究。如果该技术得以实现，将有望加速垂直GaN的量产化。

博世在PCIM Europe 2023展出的150mm GaN on Silicon晶圆

除此之外，比利时的研究实验室 imec 在 200 毫米晶圆上展示了突破性的氮化镓 (GaN) 工艺，它与Aixtron的设备合作，imec已经证明了GaN缓冲层的外延生长，可用于200mm QST衬底上的1200V横向晶体管应用，硬击穿电压超过1800V。

总之，垂直GaN的研发也是行业的一大努力方向。这些企业和机构正在努力发挥和挖掘GaN在大电压下的潜力。