垂直GaN技术革命：安森美引领高功率半导体新浪潮

当人们提及氮化镓（GaN）半导体时，往往会首先联想到其在650V以下快速充电器等消费电子领域的应用。尽管部分GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）能够达到1200V的开关功率和10kW的处理能力，但商用横向GaN器件的击穿电压仍存在局限。为了让GaN突破650V的界限，在10kW至10MW的高功率场景中发挥关键作用，垂直结构GaN（vGaN）应运而生——它能在不扩大芯片尺寸的前提下显著提升击穿电压，同时通过将峰值电场和热量转移至体衬底，优化了器件的可靠性与热管理性能。

然而，vGaN过去的痛点一直是成本问题，氮化镓晶圆价格高昂，制约了其经济可行性。不过，这一局面正被打破。安森美（ONsemi）近期推出了划时代的垂直GaN（vGaN）技术，已向早期客户提供700V和1200V的样品，目标直指AI数据中心800V系统、电动汽车、储能等原本由碳化硅（SiC）主导的领域，GaN的发展轨迹正在被彻底改写。

vGaN，即将规模化？

回顾前几年，专注于vGaN的NexGen曾在2023年圣诞节前夕宣布破产，工厂关闭，工人被解雇。2025年1月，安森美以2000万美元的价格收购了位于纽约州德威特的原NexGen Power Systems氮化镓晶圆制造厂，包括NexGen的知识产权以及工厂设备。

NexGen此前在vGaN领域颇有进展：2023年2月，宣布将提供700V和1200V的GaN样品；2023年7月，与通用汽车合作的GaN主驱项目获得美国能源部资助。但故事随着破产戛然而止。

现在，安森美在收购NexGen后，重新将vGaN发扬光大，并成为率先实现vGaN规模化的企业。在其官网上，安森美详细介绍了vGaN的最新进展。

首先，稳定的制造和供应对vGaN至关重要。安森美研究人员已研究这项技术超过15年，拥有130多项专利，研发工作在66,000平方英尺的洁净室设施内进行，配备了专用设备。下一代GaN-on-GaN将在安森美位于纽约州锡拉丘兹的晶圆厂开发和制造。

平面/横向GaN器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC或蓝宝石，但vGaN器件峰值电场出现在远离表面的位置，因此主流采用同质衬底，即GaN自支撑（GaN-on-GaN）。安森美vGaN选择采用GaN-on-GaN同质外延结构，通过专有GaN生长工艺，直接在GaN晶圆上生长厚且无缺陷的GaN层。pGaN和nGaN通过外延生长，安森美还解决了图案化表面上pGaN再生长的技术难题，拥有多项相关专利。

晶体结构上，vGaN具有六方纤锌矿结构，具备高键合强度、低本征缺陷，稳定性和可靠性优于传统材料。生长在极高温度下，进一步提升了vGaN器件的性能。

其次，器件的实现是vGaN的重要课题。安森美采用e-JFET（结型场效应晶体管）的器件形式，提供可扩展、高导电功率开关，实现了较低的整体导通电阻RDS(ON)，具备完整的雪崩能力。

目前，安森美已向早期客户提供700V和1200V器件样品，通过技术演示可实现最高3300V的电压等级。

在效率和尺寸上，vGaN能降低能量损耗、减少热量产生，使功率转换器缩小至平装书大小，实现系统小型化与高集成度。

应用方面，vGaN能满足AI数据中心提升计算密度的需求、EV延长续航和快充的需求，以及可再生能源降本增效的需求，解决传统材料在效率与尺寸上的瓶颈。GaN的材料属性天生适合高频应用。

随着GaN能应对大功率场景，安森美作为深耕SiC的公司，明确了技术分工：IGBT、SiC、SJ和vGaN各有擅长领域。

从横向到垂直，怎么就更好了

垂直结构的优势在于更容易触发雪崩效应。当电压超过击穿值时，雪崩通过反向极化的栅源二极管发生，随着电流增大，栅源电压升高，沟道打开并导通。这种特性使器件能吸收电涌，确保正常运行。

此外，vGaN的电流垂直流经材料层，降低了单位面积电阻，提高能效，减少功率转换损耗，适用于电动汽车逆变器等高频应用。vGaN器件可以通过增加漂移层厚度来提升电压等级，同时承受更高电流密度。

判断器件类型：栅极、源极、漏极都在正面的为准垂直型GaN；漏极在背面的为全垂直型GaN。横向GaN多采用HEMT设计，成本低，但异质外延生长导致晶格缺陷，影响高压可靠性，因此市场少有超过900V的GaN HEMT。

实现vGaN的五种方法：沟槽MOSFET、FinFET、JFET、垂直SBD、CAVET。不同厂商路线不同：安森美（NexGen）用JFET，Odyssey用平面栅极MOSFET和FinFET等。

CAVET具有与传统HEMT相同的异质结构和栅极模块，源区域由2DEG组成，沟槽孔连接漏极，肖特基栅极调节电流。

厂商不断加码

除了安森美，其他厂商也在推进vGaN规模化。

PI

2024年5月，Power Integrations收购Odyssey资产，Odyssey的vGaN器件导通电阻仅为SiC的十分之一，工作频率更高，已提供650V和1200V样品。

信越化学

信越化学掌握关键技术，有望将材料成本降低90%：用GaN工程衬底实现1800V耐压，并开发CFB技术剥离衬底，解决缺陷问题。

博世

博世在采用GaN初创公司外延技术开发vGaN器件，并参与欧洲“YESvGAN”项目，推动vGaN技术突破。

Hexagem

Hexagem开创垂直纳米线生长工艺，vGaN器件缺陷更少，使用硅衬底结合纳米线聚结技术。

Vertical Semiconductor

新成立公司，获1100万美元种子轮融资，用源自MIT的vGaN结构挑战数据中心电力密度极限。

山大与华为

山东大学和华为发布论文，使用氟离子注入终端在全垂直GaN硅基沟槽MOSFET中实现1200V击穿性能，比导通电阻5.6mΩ·cm²，提升超125%。

中镓科技

中镓科技制备的垂直型GaN-on-GaN SBD器件实现高击穿电压和低开启电压，数据国际领先，并与北京大学合作开发半绝缘GaN衬底。

总结

当前GaN功率技术呈现两大趋势：一是系统外围设备与功率晶体管的单片集成，以降低成本并提升性能；二是通过vGaN提高击穿电压，实现更高开关功率。随着安森美率先布局，一个全新的高功率半导体市场正在被开辟。

参考文献

[1]ONsemi：https://www.onsemi.com/company/news-media/press-announcements/en/onsemi-unveils-vertical-gan-semiconductors-a-breakthrough-for-ai-and-electrification

[2]Tohru Oka 2019 Jpn. J. Appl. Phys. 58 SB0805.DOI:10.7567/1347-4065/ab02e7

[3]Bodospower：https://www.bodospower.com/pdf/bp_article_2262.pdf

[4]Powerelectronicsnews：https://www.powerelectronicsnews.com/advances-in-the-development-of-vertical-gan-transistor-technology/

[5]EETimes：https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/

[6]宴小北：https://mp.weixin.qq.com/s/PfbRCFENmjPSA3BQ3zCXnQ

[7]未来芯研究：https://mp.weixin.qq.com/s/skiKnkedpYGO35E5kVJL5g

[8]三代半食堂：https://mp.weixin.qq.com/s/jj7WPn-k1cXG9WLdB-6OKA

[9]博世汽车电子事业部：https://mp.weixin.qq.com/s/W9sGbIqPCdeB0b_vVp_Ibw

[10]雅时化合物半导体：https://mp.weixin.qq.com/s/ccjdr2ZhqGKM8PFvgMScWw