安森美 (onsemi) 的垂直氮化鎵 (vGaN) 晶體管是新一代功率器件，能夠以高頻率處理極高電壓， 效率顯著優于傳統的硅芯片。 這項技術在行業內處于領先水平。 安森美的這個先進設施占地 66,000 平方英尺， 配備了潔凈室和高度專業化工具， 專門用于 vGaN 技術的研發。

安森美已實現vGaN技術的規模化量產

目前市面上的 GaN 器件通常采用橫向結構， 即 GaN 層生長在硅或藍寶石襯底上。 而垂直 GaN 器件的 GaN 層則生長在 GaN 襯底上。這種垂直設計允許電流直接穿過芯片， 而不是僅在表面流動;與橫向 GaN 器件相比， 它能實現更高的電流密度和工作電壓， 支持的開關頻率也遠高于硅或碳化硅 (SiC) 器件。 因此， 垂直 GaN 技術能夠讓電子設備更加小巧、 輕便且高效， 應用場景涵蓋電動汽車 (EV) 充電器、 人工智能數據中心、 可再生能源系統等諸多領域。

研究人員對垂直 GaN 技術的探索已逾 15 年， 如今安森美已實現該技術的規模化量產， 推動其進入商用階段。 垂直 GaN 的制造非常復雜， 需要在塊狀 GaN 襯底上生長厚實且無缺陷的 GaN 層， 工藝難度遠超標準硅器件制造。

要實現這一目標， 需采用精密的外延生長技術， 以及針對垂直架構開發的創新工藝。 安森美擁有 130 多項相關專利， 涵蓋基礎器件架構與加工處理的各個方面。 這項技術在材料科學與制造領域極具挑戰性， 難度堪比在人行道寬度的地基上建造摩天大樓。

趣味知識

高精準度： 晶體在高度受控的爐體中高效生長， 原子以每次僅十億分之一米的精度逐層沉積， 實現出色均勻性。 這類爐體的工作溫度超過 1,000°C， 與火山熔巖的溫度相當。

晶體力量： 垂直 GaN 源于“晶體力量”：垂直 GaN 構建于六方纖鋅礦晶體結構之上，鎵原子和氮原子交替層疊形成六方晶格。與立方結構的硅相比， 這種結構賦予其獨特的電子與光學特性。

蓋樓技藝： 垂直架構就像建造電氣領域的“摩天大樓”， 而不是“單層平房”。 電力可以直接穿過芯片， 而不是僅在芯片表面流動。

微縮奇跡： 堪稱“微縮奇跡”：與市面上的橫向 GaN 器件相比，vGaN 器件尺寸約為前者的三分之一， 可使高端電源系統的尺寸和損耗減少近 50%。 這相當于將鞋盒大小的電源轉換器壓縮至平裝書尺寸， 實現體積和重量的雙重縮減。

高壓之王： 垂直 GaN 器件能夠承受超過1,200 V 的電壓

vGaN 的應用

安森美的 vGaN 技術能夠在單片芯片中處理 1,200 V 及以上的高電壓， 實現高頻大電流切換， 并保持優異效率。 在采用該技術打造的高端電源系統中， 損耗可降低近 50%。 同時， 由于工作頻率更高， 系統尺寸( 包括電容、 電感等無源元件) 也能相應縮減近一半。

此外， 與市面上的橫向 GaN 器件相比， vGaN 器件尺寸約為前者的三分之一。 這一特性使得安森美的 vGaN 器件非常適合用于功率密度、 熱性能和可靠性至關重要的關鍵高功率應用， 具體包括：

人工智能數據中心： 減少元件數量， 提高 AI 計算系統用800V DC-DC 轉換器的功率密度， 助力大幅降低每機架成本

電動汽車： 打造更小巧、 更輕便、 更高效的逆變器， 有助于延長電動汽車續航里程

充電基礎設施： 實現更快速、 更小巧、 更耐用的充電器

可再生能源： 太陽能和風能逆變器的電壓處理能力更高，能量損耗更低

儲能系統 (ESS)： 為電池轉換器和微電網提供快速、 高效、高密度的雙向電源

工業自動化： 開發尺寸更小、 溫升更低、 效率更高的電機驅動器和機器人設備

航空航天： 支持更高的性能、 更強的耐用性和更緊湊的設計

隨著全球加速邁向電氣化和 AI 驅動的未來， 安森美在垂直 GaN 技術上的突破具有重要意義。 安森美攻克了材料和制造領域長期存在的難題， 開發出新型超高效率、 高電壓功率器件， 為下一代能源系統提供關鍵支撐。 從縮小電動汽車充電器尺寸，到以更可持續的方式為人工智能數據中心供電， 垂直 GaN 不僅是一項重大的技術突破， 更是推動建設更智能、 更清潔、 全面電氣化世界的戰略性進步。