垂直GaN来袭，用硅的成本抢食功率器件市场

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，旨在以类似硅的成本实现垂直 GaN（氮化镓）功率晶体管的欧洲财团 YESvGaN 介绍了其方案。

近年来，SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）等宽带隙（WBG）功率半导体的开发和市场导入速度加快，但与硅相比成本较高的问题依然存在。此外，GaN功率器件分为在硅片上形成GaN活性层的“水平型”和直接使用GaN衬底的“垂直型”。使用硅片的卧式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。另一方面，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。

YESvGaN 是一项于 2021 年启动的欧洲研究项目，旨在通过展示一种新型垂直 GaN 功率晶体管来解决这些问题，该晶体管以与硅相当的成本实现垂直 WGB 晶体管的性能。YESvGaN 联盟总部位于七个国家，包括罗伯特博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB、德国研究机构 Fraunhofer IISB、费迪南德布劳恩研究所、比利时根特大学和德国大学等公司。西班牙巴伦西亚23。它由公司/组织组成，由欧盟研发计划“ECSEL JU”和欧洲国家资助。

该研究正朝着实现两种垂直特性的方向进行，同时获得在硅或蓝宝石衬底上异质外延生长 GaN 的成本优势。

之所以不能采用GaN on Silicon（在硅衬底上生长GaN），首先是因为它需要绝缘缓冲层。蓝宝石本身也是绝缘体。因此，该项目正在着手开发一种“垂直 GaN 薄膜晶体管”，它在 GaN 生长后去除器件区域正下方的缓冲层、硅和蓝宝石衬底本身，并从背面直接连接到 GaN 层金属触点。目标是使用最大300mm的硅或蓝宝石晶圆实现耐压为650～1200V级的纵型GaN功率晶体管。据称可以兼顾低成本和高耐压。

在 YESvGaN 中，参与公司/组织正在按照以下步骤进行研究以实现这一目标。

• 为实现 650-1200V 级，在硅/蓝宝石衬底上实现厚漂移层外延生长达 300mm 的技术开发；

• 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；

• 先进的键合和剥离技术可通过干法蚀刻去除硅衬底和缓冲层，通过激光剥离和背面功率金属化实现蓝宝石衬底剥离和欧姆接触形成；

• 开发功率晶体管组装和互连技术开发，相应的可靠性表征；

• 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；

在今年的 PCIM 上，多家参展公司/组织在其展位上介绍了他们的 YESvGaN 计划。在罗伯特·博世展台的一角，项目协调员克里斯蒂安·胡贝尔负责。

展位上，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。介绍了其进展情况每一步，包括无缺陷形成和带有肖特基二极管的垂直器件的演示实验。展出的还有实际上从 GaN 器件区域去除了硅的晶圆。

Huber 先生说：“目前，最终的晶体管尚未完成。此外，我们正在进行研究，目的是证明这项技术是否可以实现。我们预计这将加速量产。垂直GaN。”

一家基于专有的氮化镓（“GaN”）加工技术开发创新型高压功率开关元件的半导体器件公司Odyssey Semiconductor Technologies, Inc今天宣布，公司的垂直GaN产品样品制作完成，并于 2023 年第一季度开始向客户发货。

该公司的首席执行官评论道：“我们积压的客户一直在热切地等待这些垂直 GaN 产品样品。我很自豪地报告说，制造已按计划于 2022 年第四季度完成，现在正在准备样品，以便在本季度晚些时候运送给客户。”“我们将与这些初始客户密切合作，以获得有关他们产品功能的宝贵反馈。我们希望在 2023 年第二季度末与客户达成产品开发协议。”他接着说。

CEO进一步指出，产品样品制造的完成巩固了 Odyssey 作为功率应用垂直 GaN 技术领导者的地位。它需要我们的重要知识产权来制造适用于客户用例的产品。展望未来，Odyssey 继续开发和保护所需的 IP，并将通过与主要客户合作获得更多优势，这些客户将提供更多见解以确保产品成功。

据报道，Odyssey 的垂直 GaN 方法将比碳化硅或横向 GaN 提供比硅更大的商业优势。垂直 GaN 在竞争技术无法达到的性能和成本水平上比碳化硅 (SiC) 具有 10 倍的优势。

报道指出，650 伏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 伏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。根据法国市场研究公司 Yole Group 的数据，到 2027 年，650 伏和 1200 伏功率设备市场预计将超过 50 亿美元，复合年增长率为 40%。

从报道可以看到，Odyssey Semiconductor Technologies, Inc开发了一项专有技术，旨在让 GaN 取代 SiC 作为新兴的高压功率开关半导体材料。公司总部位于纽约州伊萨卡，拥有并经营一个 10,000 平方英尺的半导体晶圆制造设施，配备 1,000 级和 10,000 级洁净空间以及用于先进半导体开发和生产的工具。Odyssey Semiconductor 还提供世界一流的半导体器件开发和代工服务。

Odyssey Semiconductor Technologies 正在美国制造工作电压为 650V 和 1200V 的垂直氮化镓 (GaN) FET 晶体管样品。

计划于 2022 年第四季度提供用于客户评估的器件产品样品。这一举措意义重大，因为全球有多个 1200V 垂直 GaN 项目，欧洲的 imec 和 Bosch 致力于该技术，而中国的 Enkris 生产适用于此类的 300mm 外延片设备。  

该公司表示，垂直结构将为 650 和 1200 伏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，并且工作频率明显更高。

它表示已获得三个客户的承诺，以评估这些第一代产品样品。它正在研究产品样品的进一步客户参与。

“Odyssey 实现 1200 伏垂直 GaN 功率器件这一里程碑的重要性怎么强调都不为过，”Odyssey 首席执行官 Mark Davidson 说。“我们正在从工艺和材料研发到以横向 GaN 实际无法达到的电压提供产品，而经济性硅和碳化硅无法达到。对于相同的应用，我们的垂直 GaN 产品将提供比碳化硅晶体管小近 10 倍的高功率转换效率。”

“我们不只是制造测试结构。我们正在构建客户需要的产品样品。随着客户全面了解 Odyssey 功率器件的功能，Odyssey 将继续履行新的产品样品承诺。公司拥有独特的专业知识和知识产权组合来保护它。通过我们在纽约伊萨卡的自己的铸造厂，我们可以快速创新并控制我们向客户供应产品的能力，”他说。

Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法将提供硅、碳化硅和横向 GaN 无法提供的更大改进。650 伏是当今更大的市场，预计将以 20% 的复合年增长率增长。1200 伏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叶成为更大的市场。

根据收集市场统计数据的法国公司 Yole 的数据，到 2027 年，650 和 1200 伏电力设备市场预计将增长到约 50 亿美元，复合年增长率为 40%。

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，该工艺首次可以在高功率 1200V 设计中采用碳化硅 (SiC)。

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。

爱思强 G5+ C 全自动金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 反应器在 imec 获得成功认证，用于集成优化的材料外延堆叠。该实验室之前演示了合格的增强模式高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和肖特基二极管功率器件，已针对 100V、200V 和 650V 工作电压范围进行了演示，为大批量制造应用铺平了道路。

然而，要实现高于 650V 的工作电压受到了在 200mm 晶圆上生长足够厚的 GaN 缓冲层的难度的挑战。因此，迄今为止，SiC 一直是 650-1200V 应用的首选宽带半导体，尤其是电动汽车和可再生能源中的逆变器。

“GaN 现在可以成为从 20V 到 1200V 的整个工作电压范围的首选技术。与本质上昂贵的基于 SiC 的技术相比，基于 GaN 的功率技术可在高通量 CMOS 晶圆厂的较大晶圆上加工，具有显着的成本优势，”imec 高级业务开发经理 Denis Marcon 说。

高击穿电压的关键在于对复杂外延材料堆栈的精心设计，并结合使用在 IIAP 计划中与 Qromis 一起开发的 200 毫米 QST 基板。这些晶圆的热膨胀与 GaN/AlGaN 外延层的热膨胀非常匹配，为更高电压操作的更厚缓冲层铺平了道路。

“将 imec 的 1200V GaN-on-QST 外延技术成功开发到 Aixtron 的 MOCVD 反应器中是我们与 imec 合作的下一步，”Aixtron 首席执行官兼总裁 Felix Grawert 博士说。“在 imec 的设施中安装 G5+C 后，imec 专有的 200 毫米 GaN-on-Si 材料技术在大批量制造平台上获得了认证，目标是高压电源开关和射频应用，使我们的客户能够实现快速通过预先验证的可用 Epi-recipes 提高产量。凭借这一新成就，我们将能够共同开拓新市场。”

正在处理横向 e-mode 设备以证明设备在 1200V 下的性能，并且正在努力将该技术扩展到更高电压的应用。除此之外，imec 还在探索在 200mm GaN-on-QST 晶圆上构建垂直 GaN 器件，以进一步扩展基于 GaN 的技术的电压和电流范围。

博世正在开发一种在欧洲生产的，用于汽车的 1200V 氮化镓技术，该技术将与其碳化硅 (SiC) 器件并列。

这是计划到 2026 年在其半导体部门投资 30 亿欧元的计划的一部分，这是拟议的欧洲微电子和通信技术 IPCEI 计划的一部分。欧洲、中国和美国有几个项目正在开发 1200V GaN 器件。

自 2021 年底以来，博世罗伊特林根工厂一直在大规模生产用于电动和混合动力汽车的碳化硅 (SiC) 芯片，它们已经帮助将运行范围提高了 6%。

由于年增长率达到 30% 或更高，对 SiC 芯片的需求仍然很高，这意味着博世的订单已满。为了使这些电力电子产品更实惠、更高效，并解决短缺问题，博世也在探索使用其他类型的芯片。

博世管理委员会主席 Stefan Hartung 表示：“我们还在研究开发用于电动汽车应用的基于氮化镓的芯片。” “这些芯片已经在笔记本电脑和智能手机充电器中找到了。”

 博世表示，在将它们用于车辆之前，它们必须变得更加坚固，并且能够承受高达 1200 伏的更高电压。“像这样的挑战都是博世工程师工作的一部分。我们的优势在于我们已经熟悉微电子很长时间了——而且我们对汽车也很熟悉。”

该计划还包括在罗伊特林根和德累斯顿建造两个新的开发中心，总成本超过 1.7 亿欧元。此外，该公司将在未来一年斥资 2.5 亿欧元，在其位于德累斯顿的晶圆厂新建一个 3,000 平方米的洁净室空间。“我们正在为半导体需求的持续增长做准备——也是为了我们客户的利益，”Hartung 说。“对我们来说，这些微型组件意味着大生意。”