Azotek galu urządzenia mocy rozwijały się głównie w oparciu o lateralne architektury HEMT. Urządzenia te stają się coraz ważniejsze w szybkich ładowarkach, zasilaczach serwerowych, napędach silników i innych zastosowaniach energoelektronicznych o wysokiej częstotliwości.

Jednak w 2026 roku zainteresowanie pionowym GaN rośnie.

Kluczowa różnica polega na kierunku przepływu prądu.

W konwencjonalnym lateralnym GaN HEMT prąd płynie głównie wzdłuż powierzchni struktury epitaksjalnej. W urządzeniu pionowym prąd przepływa przez grubość półprzewodnika.

Ta zmiana może pozwolić GaN na osiągnięcie wyższych poziomów napięcia i prądu bez ciągłego zwiększania powierzchni bocznej chipa.

Wyzwanie stanowi podłoże.

Dlaczego pionowy GaN tradycyjnie wymagał natywnego GaN

Urządzenia mocy pionowej wymagają przepływu prądu przez strukturę epitaksjalną w kierunku tylnego kontaktu.

Podłoża z masowego GaN dobrze nadają się do tej architektury, ponieważ podłoże i warstwa epitaksjalna mają zasadniczo ten sam system krystaliczny.

Może to zapewnić:

• niższą gęstość dyslokacji nitkowych;

• lepszą kompatybilność epitaksjalną;

• bezpośrednią ścieżkę przewodzenia pionowego;

• zmniejszone naprężenia związane z niedopasowaniem sieci krystalicznej;

• lepsze wsparcie dla grubych warstw dryfu wysokiego napięcia.

Jednak natywne podłoża GaN pozostają znacznie mniejsze i droższe niż główne płytki krzemowe.

Ogranicza to ekonomiczną przewagę pionowego GaN dla masowego rynku energoelektroniki.

Gdyby pionowy GaN można było zamiast tego wytwarzać na dużych płytkach krzemowych, ekonomia mogłaby się znacznie zmienić.

Problem z konwencjonalnymi buforami GaN-on-Si

Wzrost GaN bezpośrednio na krzemie jest trudny.

GaN i krzem mają różne stałe sieci krystalicznej i współczynniki rozszerzalności cieplnej.

W rezultacie konwencjonalne struktury GaN-on-Si zazwyczaj wymagają zaprojektowanych warstw buforowych do kontrolowania:

• naprężeń;

• pękania;

• dyslokacji;

• wybrzuszenia płytki;

• izolacji elektrycznej.

Te warstwy buforowe dobrze sprawdzają się w urządzeniach lateralnych.

Jednak w przypadku urządzeń pionowych silnie rezystywny bufor może stać się poważnym problemem, ponieważ prąd musi przepływać przez strukturę.

Ta sama warstwa, która pomaga izolować tranzystor GaN lateralny, może blokować przepływ prądu pionowego.

Dlatego inżynieria buforów o niskiej rezystancji staje się ważnym kierunkiem badań.

Nowe podejście z międzywarstwą o niskiej rezystancji

W 2026 roku badacze z Japonii zgłosili nowe podejście do wzrostu GaN na Si(111) przy użyciu niezwykle cienkiej międzywarstwy przypominającej amorficzną.

Metoda tworzy międzywarstwę o skali około subnanometrowej między krzemem a GaN, która pomaga zniwelować niedopasowanie sieci krystalicznej, jednocześnie utrzymując niską pionową rezystancję elektryczną.

Badacze zademonstrowali, że podejście to może wspierać dalszy wzrost GaN metodą MOCVD, zachowując jednocześnie silną stabilność termiczną i pionowe przewodzenie prądu.

Znaczenie nie polega jedynie na kolejnej strukturze warstwy buforowej GaN.

Rozwiązuje ono jeden z głównych paradoksów w pionowym GaN-on-Si:

interfejs musi absorbować niedopasowanie sieci krystalicznej, nie stając się barierą elektryczną.

Jeśli takie struktury można będzie niezawodnie skalować, mogą one uczynić krzem bardziej praktyczną platformą dla pionowych urządzeń GaN.

200 mm krzemu czyni koncepcję bardziej interesującą

Krzem oferuje jedną główną zaletę, której natywny GaN jeszcze ekonomicznie nie zapewnia:

infrastruktura półprzewodnikowa o dużej średnicy.

Fabryki krzemu o średnicy 200 mm posiadają już dojrzały sprzęt do:

• litografii;

• implantacji;

• metalizacji;

• inspekcji;

• obsługi płytek;

• zautomatyzowanej kontroli procesów.

Badania opublikowane w 2026 roku wykazały zachowanie lawinowe w pseudo-pionowych diodach p-n GaN wytworzonych przy użyciu epitaksji GaN na podłożach krzemowych o średnicy 200 mm. Urządzenia osiągnęły około 805 V bez dedykowanego zakończenia krawędzi, ilustrując, jak badania GaN-on-Si zaczynają wykraczać poza tradycyjne struktury tranzystorów lateralnych.

Nie oznacza to, że pionowy GaN-on-Si jest gotowy do zastąpienia istniejących platform GaN lub SiC.

Ale pokazuje, dlaczego badacze nadal badają sposoby połączenia fizyki urządzeń pionowych GaN z ekonomią dużych płytek krzemowych.

Pionowy GaN przechodzi również do testów na poziomie systemu

Kolejną ważną zmianą w 2026 roku jest to, że pionowy GaN wychodzi poza indywidualne urządzenia testowe.

Badacze zademonstrowali falownik trójfazowy o mocy 10,4 kW wykorzystujący pionowe tranzystory MOSFET z rowkami GaN.

Praca zidentyfikowała również problemy z niezawodnością związane ze zmianą napięcia progowego i zwiększoną rezystancją włączenia, podkreślając znaczenie poprawy interfejsu MOS i projektu ciała p.

Jest to ważny etap rozwoju technologii.

Laboratoryjne napięcie przebicia samo w sobie nie dowodzi, że półprzewodnik mocy jest gotowy do praktycznych zastosowań.

Rzeczywiste falowniki narażają urządzenia na:

• naprężenia przełączania;

• cykle termiczne;

• wysoki prąd;

• naprężenia bramki;

• napięcie przejściowe;

• nierównowagę równoległych urządzeń.

Demonstracje na poziomie systemu ujawniają problemy z niezawodnością, które mogą nie pojawić się w prostych pomiarach na poziomie płytki.

Dlaczego płytka GaN nadal ma znaczenie

Niezależnie od tego, czy pionowy GaN jest wytwarzany na natywnym GaN, czy na krzemie, jakość płytki pozostaje fundamentalna.

Ważne parametry obejmują:

• gęstość dyslokacji nitkowych;

• wybrzuszenie i wypaczenie płytki;

• jednorodność grubości epitaksjalnej;

• jednorodność domieszkowania warstwy dryfu;

• chropowatość powierzchni;

• gęstość pęknięć;

• kompatybilność z tylnym kontaktem.

W przypadku urządzeń pionowych wysokiego napięcia szczególnie ważne stają się grube warstwy dryfu GaN.

Niewielkie zmiany grubości lub domieszkowania mogą przełożyć się na zmiany napięcia przebicia i rezystancji włączenia na całej płytce.

Oznacza to, że produkcja pionowego GaN wymaga nie tylko dobrej struktury tranzystora, ale także niezwykle spójnego materiału epitaksjalnego.

Natywny GaN nadal będzie miał przewagę

Badania GaN-on-silicon nie powinny być interpretowane jako dowód na to, że natywne podłoża GaN stają się zbędne.

Natywny GaN pozostaje atrakcyjny dla pionowych urządzeń o najwyższej wydajności, ponieważ może zapewnić bardzo niską gęstość defektów i doskonałą kompatybilność krystaliczną.

Przeglądy technologii pionowego GaN z 2026 roku nadal identyfikują natywny GaN jako ważną platformę do pracy przy wysokich napięciach, jednocześnie podkreślając koszt podłoża jako główną przeszkodę w szerokiej komercjalizacji.

Rynek może zatem rozwijać się dwutorowo.

Natywny GaN mógłby służyć wymagającym zastosowaniom, gdzie jakość materiału uzasadnia wyższy koszt podłoża.

GaN-on-Si mógłby być skierowany do zastosowań wielkoseryjnych, gdzie skala produkcji i koszt są ważniejsze.

Następne pytanie to wydajność produkcji

Pionowy GaN już zademonstrował imponującą wydajność laboratoryjną.

Następnym wyzwaniem nie jest jedynie osiągnięcie kolejnego rekordu napięcia przebicia.

Branża musi określić, czy urządzenia pionowe mogą być produkowane z:

• stabilną epitaksją płytka-do-płytki;

• akceptowalną gęstością defektów;

• powtarzalnymi interfejsami MOS;

• wysoką wydajnością urządzeń;

• długoterminową niezawodnością;

• konkurencyjnym kosztem.

Jeśli technologia buforów GaN-on-Si o niskiej rezystancji będzie nadal się rozwijać, krzem może ostatecznie stanowić pomost między zaawansowaną fizyką urządzeń GaN a masową produkcją płytek.

To sprawia, że pionowy GaN-on-Si jest jednym z najciekawszych rozwoju płytek GaN, na który warto zwrócić uwagę po 2026 roku.