垂直GaN：开启高功率应用的新篇章

提到氮化镓（GaN），人们往往首先联想到的是650V以下的快充等应用场景。尽管部分GaN HEMT能够达到1200V、10kW的开关功率，但商用横向GaN的击穿电压仍存在局限。为了让GaN突破650V领域，并在10kW到10MW的高功率场景中发挥作用，垂直结构应运而生。这种结构能够在不扩大芯片尺寸的前提下提升击穿电压，同时通过将峰值电场与热量转移到体衬底，优化器件的可靠性与热管理。

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。但这一局面似乎正在被改写。安森美（ONsemi）近期推出了划时代的垂直GaN（Vertical GaN，vGaN），并向早期客户提供了700V和1200V的样品，目标直指AI数据中心800V系统、电动汽车、储能等原本属于SiC的领域。GaN的发展轨迹正在被重新定义。

vGaN，即将规模化？

回顾历史，专注于vGaN的NexGen曾在2023年圣诞节前夕宣布破产，工厂随之关闭，工人也被解雇。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DeWitt工厂的设备。

NexGen在vGaN领域曾颇有进展：2023年2月，宣布将提供700V和1200V的GaN样品；同年7月，还宣布与通用汽车合作的GaN主驱项目已获得美国能源部(DoE)的资助——使用NexGen的vGaN器件开发的电力驱动系统。但遗憾的是，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，并率先实现vGaN的规模化。在其官网上，安森美详细介绍了吸纳这家公司后vGaN的最新进展。

稳定的制造和供应对vGaN来说至关重要。从安森美的PPT中，我们可以看到其野心：研究人员研究这项技术已超过15年，拥有130+项专利，研发工作在一座面积达66,000平方英尺的洁净室设施内进行，该设施配备了用于vGaN生产的专用设备。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/异质衬底，如Si、SiC、蓝宝石。但vGaN器件的峰值电场往往出现在远离表面的位置，所以主流采用同质衬底，即GaN自支撑（GaN-on-GaN）。一直以来，GaN-on-GaN成本较高，因此有些企业选择研究GaN-on-Si。

安森美的vGaN选择了GaN-on-GaN同质外延结构，并展示了一张PPT来突显GaN-on-GaN的优势：

核心工艺采用安森美专有的GaN生长工艺，直接在GaN晶圆上生长厚且无缺陷的GaN层，这需要高精度外延技术与创新制造方法。pGaN和nGaN通过外延生长。值得注意的是，安森美解决了一个关键难题：掌握图案化表面上pGaN再生长技术（GaN掺杂需在外延生长中原位进行，pGaN再生长难度极高），并拥有该技术的多项专利。

晶体结构上，六方纤锌矿结构的GaN具有高键合强度、低本征缺陷以及优于传统材料（如Si、SiC、横向GaN）的稳定性和可靠性。生长在极高温度下进一步提升了vGaN器件的稳定性与性能。

其次，器件的实现也是vGaN的重要课题。根据安森美的PPT显示，其选择了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也实现了降低能量损耗、减少热量产生的效果，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。

最后，应用也至关重要。安森美认为vGaN可以充分满足当前市场需求，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。相比传统材料（如Si、SiC），vGaN在效率与尺寸上更具优势。

从横向到垂直：结构变革带来的优势

有人可能会问，为什么电流从横向变成垂直，器件的击穿电压就更高了？

垂直结构之所以具备优势，核心在于它更容易触发雪崩效应。当电压超过击穿值时，雪崩现象会先通过反向极化的栅源二极管发生。随着雪崩电流逐渐增大，栅源电压会随之升高，进而让器件的沟道打开并实现导通。这种雪崩特性是器件自我保护的关键：一旦器件两端电压或导通电流出现峰值，具备该特性的器件就能吸收这些电涌，确保自身保持正常运行状态。

此外，vGaN半导体的电流垂直流经材料层，从而大幅降低了单位面积电阻，能够提高能效并减少功率转换损耗。这种结构特别适用于电动汽车的逆变器和其他高频、高效能的应用。

厂商不断加码

除了安森美外，还有很多厂商也在不断推进vGaN的规模化落地。

PI

2024年5月，Power Integrations（PI）宣布收购Odyssey资产。Odyssey曾强调其650V和1200VvGaN器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数。据悉，Odyssey已获得三个客户的承诺来评估这些第一代产品样品。

信越化学

信越化学掌握了两项关键技术有望将材料成本降低90%：一是用GaN工程衬底实现了1800V耐压；二是衬底剥离技术。

博世

博世也在尝试采用一家GaN初创公司的外延技术开发垂直氮化镓器件。

总结

当前GaN功率技术呈现出两大发展趋势：一是将系统外围设备与功率晶体管进行单片集成；二是通过开发vGaN来提高器件的击穿电压和开关功率。

随着安森美在vGaN领域的重点布局，一个全新的市场正在被开辟。