目前，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。但现有的硅基功率技术正接近材料的理论极限，只能提供渐进式的改进，无法满足现代电子技术对耐高压、耐高温、高频率、高功率乃至抗辐照等特殊条件的需求。

因此，业界开始寻求新的半导体材料来满足行业需要，期盼突破传统硅的理论极限。

碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等第三代半导体材料因具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度等特点，成为目前功率电子材料与器件研究的热点。

与第一代、第二代半导体相比，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。在相同的耐压下，可以具有更低的比导通电阻。

目前GaN器件主要有两种技术路线，平面型与垂直型。

平面型GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等。早期高质量单晶GaN衬底难以实现，成本比较高，只能通过非本征衬底上生长异质外延GaN，由于衬底外延界面早期难以实现导通，因此硅基GaN和蓝宝石基GaN器件逐渐成为了主流。

硅基GaN和蓝宝石基GaN虽然可以以相对较低的成本获得GaN的高频特性，但它们与GaN层之间需要有绝缘缓冲层，而蓝宝石本身是绝缘体，所以无法垂直导通，在高频时不适合。

总之，由于结构的特殊性，存在很多限制器件性能的因素，未能充分发挥GaN材料的优势。

因此，为了支持高电压/大电流，在GaN衬底上生长GaN层，能够垂直导电的“垂直GaN” GaN on GaN正在成为新的焦点。

与横向结构器件相比，垂直结构GaN器件拥有更多优势：

（1）电流通道在体内，不易受器件表面陷阱态的影响，动态特性较为稳定；

（2）垂直结构器件可在不增加器件面积的前提下通过增加漂移区厚度直接提升耐压，因此与横向结构相比更易于实现高的击穿电压；

（3）电流导通路径的面积大，可以承受较高的电流密度；

（4）由于电流在器件内部更为均匀，热稳定性佳；

（5）垂直结构器件易于实现雪崩特性，在工业应用中优势明显。

简而言之，与横向GaN器件相比，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器件的热量传输效率更高，能够通过均质材料直接从顶部和底部传输热量，避免了横向GaN器件中因缓冲层限制的冷却效率问题。

近年来，随着大尺寸、低缺陷密度GaN自支撑衬底的不断成熟，GaN垂直结构功率器件的研发得以取得长足的进步，为突破横向结构HEMT器件在高压领域的局限性提供了可能性。

相比SiC，GaN器件此前已经在LED照明、快充及无线充电、5G射频通信等领域得到了大量使用。

除此之外，汽车、工业和数据中心预计也将成为GaN器件未来新的增长驱动力。垂直GaN功率器件可以通过延长电动汽车的行驶里程和缩短充能时间来提高电动汽车的基本性能，预计未来将有显著的需求增长。

同时，电网也是垂直结构GaN器件的另一个潜在应用领域。特别是由于其快速的雪崩击穿响应，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，凭借诸多性能特性和优势，垂直型GaN有望进一步拓展在中高压领域的应用。

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”重点研发计划以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN功率器件的发展。

相比之下，中国在垂直型GaN器件方向的研究起步较晚，技术储备较弱，和国外存在差距。目前仅有北京大学、浙江大学、深圳大学、中镓科技、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等少数几家单位成功研制垂直型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简单，且作为电力电子电路中不可或缺的基础器件，非常适宜在新型垂直型GaN-on-GaN器件发展的初期作为工艺开发、技术探索与机制分析的主要研究对象。

在性能上，新型垂直结构GaN-on-GaN功率二极管能够从根本上突破传统平面型GaN-on-Si器件在击穿电压、动态导通性能等方面的限制，更大程度地发挥GaN材料本身的优势，有望成为高压、高效、快速的电力电子系统发展的新方向，尤其是当前高质量本征GaN衬底技术的日趋成熟将有望为这一领域开启新的篇章。

而近期，KnowMade机构在研究垂直GaN器件技术的专利现状时指出，近年来中国在垂直GaN发明活动方面正在逐渐取代日本处于领先地位。

其中，以西安电子科技大学和电子科技大学为首的研究机构领导的中国玩家似乎在发明活动方面处于领先地位，自2020年以来逐渐地超越日本玩家。

据了解，垂直GaN领域的大多数IP新人来自中国。

2019年以来进入专利领域的主要知识产权新来者是山东大学、西安交通大学等中国研究机构和企业，其中之一是初创公司聚力成半导体（GLC Semiconductor），专注于GaN外延片的研发和生产。该公司在2020年披露了多项与垂直GaN FET结构相关的发明，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，还成功在美国和中国台湾提交了多项专利申请。

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，并且还表示突破了6英寸的关键核心技术；2018年2月，东莞中稼半导体宣布，在国内首次试产4英寸自支撑GaN衬底，并在2019年10月发售4英寸自支撑氮化镓衬底；2020年3月，镓特半导体宣布开发出4英寸掺碳半绝缘GaN晶圆片，并表示“镓特是第一家，也是唯一一家生产4英寸半绝缘氮化镓晶圆片的公司”。

同时，上述中国大学也在将重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作、专利转让等方式推动国内新企业的出现。

根据目前的IP趋势，中国可能很快就会成为垂直GaN专利最活跃的市场。

综合来看，目前美国、日本、欧洲等国家和地区已研制出多种垂直型GaN器件，部分企业实现小批量供货。我国垂直型GaN器件研发起步晚，在技术、理论、工艺等方面与国外相比仍存在差距，但追赶速度正在快速提升。

历经20年创新，垂直GaN技术IP竞赛才刚刚开始。KnowMade在报告中指出，“尽管自2000年代以来已经申请了1000多个专利族来涵盖垂直GaN技术的发展，但迄今为止IP竞争一直非常温和。然而，事实上，目前包括现有汽车公司在内的一些参与者仍在投资垂直GaN技术，一些成熟的知识产权参与者（富士电机、丰田汽车）和相对较新的知识产权参与者（电装、博世）正在加速其专利申请。因此，垂直GaN专利格局预计在未来十年内竞争将变得越来越激烈。”

随着垂直GaN技术的持续发展，行业厂商将致力于为垂直GaN功率器件的工业化和商业化做好准备，迎接新的市场机遇。

受市场前景吸引，垂直GaN行业风起云涌，正在迎来新发展。

但需要注意的是，作为电力电子技术的一个新兴研究热点，垂直型GaN-on-GaN功率器件的发展和相关研究尚处于起步阶段，仍然存在诸多关键技术挑战。比如，直径小，尺寸仅为2至4英寸；GaN晶圆价格昂贵等，都是行业亟待解决的新挑战。

未来，随着研究不断深入、技术突破，垂直型GaN器件市场将迎来广阔发展前景。在这个过程中，国内外厂商都在厉兵秣马，力争在这个竞争激烈的市场寻到自己的一片天空。

来源：半导体行业观察