谷歌放弃试用6年的超级宽带计划：谷歌光纤面临出售
06-17
目前，以传统半导体硅（Si）为主要材料的半导体器件仍主导电力电子功率元件。
然而，现有的硅基功率技术已接近材料的理论极限，只能进行渐进式的改进，无法满足现代电子技术对耐高压、耐高温、高频、大功率等特殊条件的需求。
甚至抗辐射能力。
因此，业界开始寻求新的半导体材料来满足行业需求，希望能够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其宽禁带、高临界击穿电场、高电子密度等特点，成为电力电子材料与器件研究的热点。
饱和漂移速度。
与第一代、第二代半导体相比，第三代半导体材料制成的器件具有击穿电压高、输出电流大、导热性能优异等优点。
在相同耐压下，可以具有更低的比导通电阻。
近日，作者在《SiC,全民“挖坑”》文章中介绍了平面和沟槽SiC MOSFET的技术特点和优缺点，以及两种不同结构SiC的市场进展和行业趋势。
Trench SiC MOSFET被认为是更具优势的技术路线和发展方向，吸引行业龙头纷纷涌入，加倍押注这一新兴市场。
另一方面，作为第三代半导体的另一个典型代表，GaN也拥有“横向”和“纵向”并行发展的两条技术路线。
其中，垂直GaN有潜力克服横向器件的击穿电压和电流容量限制，同时缓解一些热问题，因此被认为是下一代功率器件中很有前途的技术。
然而，近期专注垂直GaN技术的美国初创公司NexGen Power Systems突然倒闭，让该技术原本广阔的行业前景增添了一丝疑虑，也再次引发了业界对垂直GaN的关注和讨论。
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垂直GaN有着广阔的市场。
目前，GaN器件主要有两种技术路线，平面型和垂直型。
平面GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石等。
早期，高质量的单晶GaN衬底很难实现，成本也相对较高。
异质外延 GaN 只能在非本征衬底上生长。
由于早期难以在衬底-外延界面实现导通，硅基GaN和蓝宝石基GaN器件逐渐成为主流。
不同衬底材料的性能比较（来源：《高压低功耗新型氮化镓功率器件机理及结构研究》）硅基GaN和蓝宝石基GaN虽然能够以相对较低的成本获得GaN的高频特性，但它们与GaN层之间需要绝缘缓冲层，而蓝宝石是绝缘体，所以不能垂直导电，不适合高频。
总之，由于结构的特殊性，限制器件性能的因素较多，GaN材料的优势无法充分发挥。
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器件具有更多优势：（1）电流沟道位于体内，不易受器件表面陷阱态影响，动态特性相对稳定； (2)可采用立式结构器件，无需增加器件面积。
在通过增加漂移区厚度直接提高耐压的前提下，相比横向结构更容易实现高击穿电压； (3)电流传导路径面积大，能承受较高的电流密度； (4)由于器件内部电流比较均匀，热稳定性好； (5)立式结构器件易于实现雪崩特性，在工业应用中优势明显。
(a)平面GaN-on-Si和(b)垂直GaN-on-GaN器件的典型结构（来源：《高压、高效、快速的垂直型氮化镓功率二极管研究》） 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，在高频工作时开关损耗最小。
此外，垂直GaN器件具有更高的传热效率，可以通过均质材料直接从顶部和底部传递热量，避免了横向GaN器件中受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取得了长足进展，为突破横向结构HEMT的局限性提供了可能高压领域的设备。
与SiC相比，GaN器件已广泛应用于LED照明、快充和无线充电、5G射频通信等领域。
此外，汽车、工业和数据中心也有望成为未来GaN器件新的增长动力。
垂直GaN功率器件可以通过延长续航里程、缩短充电时间来提高电动汽车的基本性能，预计未来需求将大幅增长。
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，垂直GaN凭借其诸多性能特点和优势，有望进一步拓展在中高压领域的应用。
据TrendForce Consulting《全球GaN功率半导体市场分析报告》预计，全球GaN功率元件市场规模将从2018年的1.8亿美元增长至2018年的13.3亿美元，复合增长率达65%。
2019年全球GaN功率半导体市场趋势，欧洲、美国和日本率先取得领先地位。
近年来，随着高质量单晶GaN衬底的商业化，垂直GaN器件迅速发展，并逐渐从实验室研究走向产业化。
利用GaN材料的优势并提高器件性能将有更大的潜力。
回顾行业发展历史，根据战略咨询公司KnowMade的《垂直GaN功率器件IP竞争现状》报告，垂直GaN功率器件的知识产权（IP）开发始于2000年代中期，以住友等日本企业为主导电气、罗姆和丰田汽车。
直到 2000 年，每年的发明数量仍然相对较低。
自 2018 年以来，在住友电气、丰田合成、首尔半导体和 Avogy（其功率 GaN 专利于 2016 年转让给 NexGen）的推动下，发明活动急剧增加。
自 2007 年以来，垂直 GaN 功率器件的 IP 活动已达到稳定水平，富士电机、电装、松下和博世等新的顶级创新者不断涌现。
当时，欧美厂商也开始加大对垂直GaN的探索，一些知名公司也正在进入这一IP领域。
例如，imec于2016年与根特大学合作开发半垂直和垂直GaN功率器件。
与此同时，imec还开发了一种共同集成垂直GaN功率二极管和晶体管的方法。
自2001年以来，包括CEA在内的其他欧洲主要研究机构也恢复了该领域的知识产权活动。
法国研究机构一直在与 CNRS 合作开发新型垂直 GaN 功率器件，并于 2018 年发布了另外两项发明，描述了垂直 GaN FET 和二极管。
博世自2007年起也开发了此类垂直设备，并于2018年发布了第一项专利。
不过，直到2008年博世才开始活跃在这一领域。
2008年，博世加快了垂直功率GaN技术的IP战略，拥有超过15项新专利族发明。
在美国，康奈尔大学研究人员 Rick Brown 和 James Shealy 于 2016 年创立的初创公司 Odyssey Semiconductor 于 2018 年进入垂直功率 GaN 器件专利领域。
可以看出，依托在半导体领域的技术积累和优势，经过几年的垂直GaN功率器件领域的研发投入，以美国、日本、欧洲为代表的国家和地区取得了丰硕的成果，成功开发出多种产品。
垂直 GaN 功率晶体管和功率二极管。
近段时间，创新产品和技术动态也相继发布。
NexGen：科技明星，突然倒闭 2017年Avogy破产后，其首席执行官Dinesh Ramanathan创立了一家初创公司NexGen Power Systems，该公司收购了Avogy的功率GaN专利。
2007 年，NexGen 开始在该领域开展自己的专利活动。
今年年初，NexGen 开始提供全球首款用于高功率应用的 V 族和 V 族垂直 GaN 器件的工程样品??。
据介绍，其V垂直GaN e-mode Fin-jFET是唯一成功演示额定电压1.4kV高频开关的宽带隙器件。
这些设备预计将于今年第三季度开始全面生产。
NexGen 首席执行官 Shahin Sharifzadeh 表示：“没有其他半导体器件可以与 NexGen 垂直 GaN 提供的性能特征相媲美，我们非常自豪能够成为第一家在纽约州锡拉丘兹工厂使用垂直 GaN 提供 V 和 V 器件生产的公司。
GaN 技术样本。
” NexGen 的半导体将使客户能够开发使用硅、碳化硅或硅基氮化镓技术无法实现的电源解决方案。
今年6月，NexGen宣布其与通用汽车的合作项目已获得美国能源部（DoE）的资助。
收到的资金计划用于垂直氮化镓半导体的电力驱动系统。
与通用汽车合作，有望推动垂直GaN器件的登上进程。
然而，正当其发展如火如荼之际，近日有媒体报道称，总投资超过10亿元人民币的GaN公司NexGen宣布破产，其总投资超过1亿美元的晶圆厂也已被关闭。
据披露，倒闭的原因是难以获得风险融资，公司经营本来就陷入困境。
OKI＆信越化学：垂直GaN技术的新突破不久前，OKI和信越化学宣布成功开发出一项技术，该技术采用OKI的CFB（晶体薄膜键合）技术和信越化学的特殊改进将GaN功能层在QST（Qromis Substrate Technology）衬底上剥离并粘合到不同材料的衬底上。
该技术实现了GaN的垂直导电，有望将制造成本降低至传统制造成本的10%，同时有助于可控制大电流的垂直GaN功率器件的制造和商业化。
同时，目前有两个因素限制了垂直GaN功率器件的大规模普及：产能受晶圆直径限制；并且在大电流下无法实现垂直导通。
OKI和信越化学也提出了解决方案。
晶圆方面，信越化学的QST基板是专门为GaN外延生长而开发的复合材料基板。
它以“CTE匹配核心”为中心。
核心是陶瓷（主要是氮化铝）核心，其热膨胀系数与GaN相同。
可以非常有效地抑制翘曲和裂纹，从而实现大直径、高质量厚膜 GaN 的外延生长。
这一特性使得即使在大于8英寸的晶圆上也能够生长具有高击穿电压的厚GaN薄膜，从而解除了晶圆直径的限制。
据了解，信越化学已实现20μm以上的高质量GaN外延生长。
“通过采用多种技术，我们已经实现了约5倍的缺陷密度。
换句话说，缺陷密度可以降低到普通硅基GaN的约1/1。
”另一方面，OKI的CFB技术可以从多种基材上剥离功能层，并利用分子间力粘合到由不同材料制成的基材上。
它最初是为了减小公司打印机中安装的打印头 LED 阵列的尺寸和成本而开发的。
具体而言，将由化合物半导体制成的LED晶体膜剥离并直接接合至由硅制成的驱动器IC。
今年7月左右，冲电气意外地在信越化学的QST基板上发现了GaN，从而促成了结合QST基板和CFB技术的新技术的开发。
OKI的CFB技术可以仅从QST基板上剥离GaN功能层，同时保持较高的器件特性。
GaN晶体生长所需的绝缘缓冲层可以被去除并通过允许欧姆接触的金属电极接合到各种衬底。
将这些功能层粘合到具有高散热性的导电基板上，将实现高散热性和垂直导电性。
OKI和信越化学的联合技术解决了上述两大挑战，为垂直GaN功率器件的社会化铺平了道路。
Odyssey：革命性创新 在垂直GaN玩家方面，美国公司Odyssey开发了一种革命性的方法，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。
宣布完成V、V两个电压等级的氮化镓垂直结构结型场效应晶体管器件的产品开发，标志着垂直结构氮化镓电力电子器件已做好进入市场的准备。
据了解，奥德赛正在利用高质量的块状氮化镓晶圆作为其专有的垂直传导功率开关晶体管的基板。
这些衬底允许生长额定电压高于V的晶体管所需的低缺陷密度器件层。
据他们介绍，在Si上生长的GaN的缺陷密度为cm2，这些缺陷将影响器件的高压工作可靠性。
因此，市场上还没有额定电压高于 V 的 GaN HEMT 商业版本，大多数仅限于 V。
Odyssey 的革命性方法使在 GaN 衬底上生长的垂直传导 GaN 器件能够减少单位面积约 0 缺陷，从而将允许在高达 0V 及以上的电压下可靠运行。
尽管 GaN 衬底更昂贵，但 GaN 器件所需的晶圆尺寸比 SiC 小得多，这使得它们在生产上相对于具有相似额定值的 SiC 器件具有竞争力。
据悉，奥德赛的垂直GaN产品样品已经完成，包括工作电压V和V，并将于今年第一季度开始向客户发货。
V 细分市场是当今更大的市场，预计复合年增长率为 20%。
V产品细分市场预计将以63%的复合年增长率增长更快，并将成为全年规模更大的市场。
Odyssey 的目标是完全取代目前由 SiC 服务的更高功率器件市场。
YESvGaN项目：垂直GaN薄膜晶体管另一个对垂直GaN感兴趣的是欧洲财团在2016年推出的YESvGaN项目，该项目研究一种新型垂直GaN功率晶体管，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，欧洲一直有着扎实的基础和技术积累。
YESvGaN联盟由博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等公司以及德国研究机构Fraunhofer IISB、费迪南德·布劳恩研究所、比利时根特大学、瓦伦西亚大学等在7个国家成立在西班牙。
23家公司/组织，由欧盟研发项目“ECSEL JU”资助，并由欧洲国家提供资金。
研究正朝着实现两个垂直性能，同时在硅或蓝宝石衬底上获得异质材料的成本优势进行GaN on Silicon的外延生长之所以不能采用，首先是因为它需要绝缘缓冲层，而蓝宝石本身也是绝缘体。
因此，该项目正着手开发“垂直GaN薄膜晶体管”，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。
目标是利用*mm硅片或蓝宝石晶圆实现耐压V-V级的垂直GaN功率晶体管。
据说这种方法可以兼顾低成本和耐高电压。
下图展示了YESvGaN的一些主要研究步骤和要做的工作，主要包括：为了达到V-V级，开发在*mm硅/蓝宝石衬底上实现厚漂移层外延生长的技术； *V/A传导以与硅IGBT相同的成本开发电阻4mΩcm2垂直GaN功率晶体管和工艺技术；通过干法刻蚀去除硅衬底和缓冲层，通过激光剥离对蓝宝石衬底进行升沉接触，并通过先进的邦定和泥带实现背面功率单元化固定技术；功率晶体管元件及互连技术的开发及相应的可靠性特性评估；为开发的功率晶体管创建数据表，并在多个应用演示器中演示系统效率的改进。
在 PCIM Europe 上，博世展示了其 YESvGaN 项目的进展。
博世在硅和蓝宝石上实现了二极管击穿电压超过V的叠层生长，并在硅片上的mm GaN上去除硅，形成4μm厚、直径5mm的*GaN薄膜。
然而，博世尚未达到晶体管最终完成的阶段，目前正在围绕验证该技术是否可行进行大量研究。
如果该技术实现，有望加速垂直GaN的量产。
除此之外，比利时研究实验室imec还在毫米晶圆上展示了突破性的GaN工艺。
通过与 Aixtron 的设备合作，imec 展示了用于毫米 QST 基板的 GaN 缓冲层的外延生长。
对于V横向晶体管应用，硬击穿电压超过V。
总之，垂直GaN的研发是目前业界的一个主要方向。
美国、欧洲、日本等国家和地区的这些公司和机构正在努力释放和挖掘高压下GaN的潜力。
2019年以来推动垂直GaN功率器件相关发明活动的主要参与者（来源：KnowMade）垂直GaN技术，中国跃跃欲试。
放眼中国市场，2019年，中国科技部还启动了“第三代半导体外延衬底制备及均质化”重点研发计划，推动GaN单晶衬底和垂直GaN功率器件的发展。
相比之下，我国垂直GaN器件研究起步较晚，技术储备薄弱，与国外存在差距。
目前只有北京大学、浙江大学、深圳大学、中镓科技、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等少数单位成功研制出垂直型GaN功率器件，主要是垂直型GaN-on-GaN功率器件。
二极管。
由于功率二极管的结构和工艺相对简单，且作为电力电子电路中不可缺少的基础器件，非常适合作为新型器件发展初期工艺开发、技术探索和机理分析的主要研究对象。
垂直GaN-on-GaN器件。
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在性能方面，新型垂直结构GaN-on-GaN功率二极管可以从根本上突破传统平面GaN-on-Si器件在击穿电压和动态导通性能方面的限制，充分利用GaN材料本身更大程度上。
这些优点有望成为高压、高效、快速电力电子系统发展的新方向。
特别是当前高质量本征GaN衬底技术的日益成熟，有望开启该领域的新篇章。
近日，KnowMade Institute在研究垂直GaN器件技术专利状况时指出，近年来，中国已逐渐取代日本在垂直GaN发明活动中处于领先地位。
其中，以西安电子科技大学和中国电子科技大学为首的研究机构为首的中国玩家，在发明活动方面似乎处于领先地位，并已逐渐超越日本玩家。
自那一年以来。
2018年垂直GaN功率器件相关专利公开时间演变趋势（来源：KnowMade） 据了解，垂直GaN领域的IP新人大部分来自中国。
2018年以来进入专利领域的主要知识产权新进入者是山东大学、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GLC Semiconductor，专注于GaN外延片的研发和生产。
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该公司在2018年披露了多项与垂直GaN FET结构相关的发明。
与大多数只在中国寻求发明保护的中国企业不同，GLC除了中国大陆之外，还成功在美国和台湾提交了多项专利申请。
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此外，主要的GaN单晶衬底供应商还有国内纳微科技、五岳半导体、华镓半导体、镓半导体等。
苏州纳微在2018年率先推出了4英寸GaN单晶衬底，并表示已突破6英寸关键核心技术； 2018年2月，东莞中嘉半导体宣布在国内首次试产4英寸自支撑GaN衬底。
2020年10月推出4英寸自支撑氮化镓衬底； 2019年3月，镓半导体宣布开发出4英寸碳掺杂半绝缘氮化镓晶圆，并表示“镓是第一家也是唯一一家能够生产4英寸半绝缘氮化镓晶圆的公司”。
与此同时，上述中国大学也纷纷将目光投向中国来保护自己的发明，在快速发展的功率SiC产业中，大学和研究机构正在通过合作、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，美国、日本、欧洲等国家和地区已开发出多种垂直GaN器件，部分企业已实现小批量供货。
我国垂直GaN器件的研发起步较晚，在技术、理论、工艺等方面与国外相比尚存在差距，但追赶的速度正在快速提升。
经过20年的创新，垂直GaN技术IP竞争才刚刚开始。
KnowMade 在报告中指出，“尽管已经提交了多个专利族来涵盖垂直 GaN 技术的开发，因为参与者仍在投资垂直 GaN 技术，并且一些成熟的 IP 参与者（富士电机、丰田汽车）和相对较新的 IP 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。
预计未来十年竞争将变得越来越激烈。
“随着垂直GaN技术的不断发展，业内人士将致力于垂直GaN功率器件的产业化和商业化准备，迎接新的市场机遇。
写在最后 受市场前景的吸引，垂直GaN产业风起云涌，迎来了新的发展机遇。
但值得注意的是，作为电力电子技术的新兴研究热点，垂直GaN-on-GaN功率器件的开发及相关研究仍处于起步阶段，仍存在诸多关键技术挑战。
例如，直径小，尺寸仅为2至4英寸；氮化镓晶圆价格高昂等，都是行业未来亟待解决的新挑战，随着不断深入的研究和技术突破，氮化镓晶圆的发展面临着新的挑战。
垂直GaN器件市场将迎来广阔的发展前景，在此过程中，国内外厂商都在努力在这个竞争激烈的市场中寻找自己的天空。
参考内容 电子与封装：邀请评审 |氮化镓垂直结构器件结端设计 半导体：垂直氮化镓功率器件IP竞争现状 李博等人，《垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况》孙涛，《高压低功耗新型氮化镓功率器件机理及结构研究》徐嘉跃，《GaN垂直结构器件结终端设计》【本文由投资界合作伙伴微信合作公众号：半导体行业观察家授权发布。
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