Nitruro di gallio i dispositivi di potenza si sono sviluppati principalmente attorno alle architetture HEMT laterali. Questi dispositivi sono diventati sempre più importanti nei caricabatterie rapidi, negli alimentatori per server, nei motori elettrici e in altre applicazioni di conversione di potenza ad alta frequenza.

Nel 2026, tuttavia, l'interesse per il GaN verticale è in aumento.

La differenza fondamentale è la direzione del flusso di corrente.

In un HEMT GaN laterale convenzionale, la corrente viaggia principalmente lungo la superficie della struttura epitassiale. In un dispositivo verticale, la corrente viaggia attraverso lo spessore del semiconduttore.

Questa modifica potrebbe consentire al GaN di muoversi verso livelli di tensione e corrente più elevati senza aumentare continuamente l'area del chip laterale.

La sfida è il substrato.

Perché il GaN verticale ha tradizionalmente richiesto GaN nativo

I dispositivi di potenza verticali richiedono che la corrente passi attraverso la struttura epitassiale verso il contatto posteriore.

I substrati di GaN bulk sono ben adatti a questa architettura perché il substrato e lo strato epitassiale condividono essenzialmente lo stesso sistema cristallino.

Ciò può fornire:

• minore densità di dislocazioni a filo;

• migliore compatibilità epitassiale;

• un percorso di conduzione verticale diretto;

• ridotto stress da disadattamento reticolare;

• miglior supporto per spessi strati di deriva ad alta tensione.

Tuttavia, i substrati di GaN nativo rimangono considerevolmente più piccoli e più costosi dei wafer di silicio mainstream.

Ciò limita il vantaggio economico del GaN verticale per l'elettronica di potenza di massa.

Se il GaN verticale potesse invece essere fabbricato su wafer di silicio di grandi dimensioni, l'economia potrebbe cambiare sostanzialmente.

Il problema con i buffer GaN-on-Si convenzionali

Crescere GaN direttamente sul silicio è difficile.

GaN e silicio hanno costanti reticolari e coefficienti di espansione termica diversi.

Di conseguenza, le strutture GaN-on-Si convenzionali richiedono normalmente strati buffer ingegnerizzati per controllare:

• lo stress;

• le fessurazioni;

• le dislocazioni;

• l'incurvamento del wafer;

• l'isolamento elettrico.

Questi strati buffer funzionano bene per i dispositivi laterali.

Per i dispositivi verticali, tuttavia, un buffer altamente resistivo può diventare un problema importante perché la corrente deve passare attraverso la struttura.

Lo stesso strato che aiuta a isolare un transistor GaN laterale può bloccare il flusso di corrente verticale.

Questo è il motivo per cui l'ingegnerizzazione di buffer a bassa resistenza sta diventando un'importante direzione di ricerca.

Un nuovo approccio con interstrato a bassa resistenza

Nel 2026, ricercatori dal Giappone hanno riportato un nuovo approccio per la crescita di GaN su Si(111) utilizzando un interstrato estremamente sottile simile ad un amorfo.

Il metodo forma un interstrato di circa sub-nanometro tra silicio e GaN che aiuta ad accomodare il disadattamento reticolare mantenendo una bassa resistenza elettrica verticale.

I ricercatori hanno dimostrato che l'approccio potrebbe supportare la successiva crescita di GaN MOCVD mantenendo una robusta stabilità termica e conduzione di corrente verticale.

Il significato non è semplicemente un'altra struttura di strato buffer GaN.

Affronta una delle contraddizioni centrali nel GaN verticale-on-Si:

l'interfaccia deve assorbire il disadattamento cristallino senza diventare una barriera elettrica.

Se tali strutture possono essere scalate in modo affidabile, potrebbero rendere il silicio una piattaforma più pratica per i dispositivi GaN verticali.

Il silicio da 200 mm rende il concetto più interessante

Il silicio offre un vantaggio importante che il GaN nativo non fornisce ancora economicamente:

infrastruttura di semiconduttori di grande diametro.

Le fabbriche di silicio da 200 mm contengono già attrezzature mature per:

• litografia;

• impiantazione;

• metallizzazione;

• ispezione;

• manipolazione wafer;

• controllo automatico del processo.

La ricerca pubblicata nel 2026 ha dimostrato un comportamento di valanga in diodi p-n GaN pseudo-verticali fabbricati utilizzando epitassia GaN su substrati di silicio da 200 mm. I dispositivi hanno raggiunto circa 805 V senza terminazione del bordo dedicata, illustrando come la ricerca GaN-on-Si stia iniziando a superare le tradizionali strutture di transistor laterali.

Ciò non significa che il GaN verticale-on-Si sia pronto a sostituire le piattaforme GaN o SiC esistenti.

Ma dimostra perché i ricercatori continuano a indagare modi per combinare la fisica dei dispositivi GaN verticali con l'economia dei wafer di silicio di grandi dimensioni.

Il GaN verticale sta anche entrando nei test a livello di sistema

Un altro cambiamento importante nel 2026 è che il GaN verticale sta andando oltre i singoli dispositivi di prova.

I ricercatori hanno dimostrato un inverter trifase da 10,4 kW utilizzando MOSFET trench GaN verticali.

Il lavoro ha anche identificato problemi di affidabilità relativi allo spostamento della tensione di soglia e all'aumento della resistenza on, evidenziando l'importanza di migliorare l'interfaccia MOS e il design del corpo p.

Questa è una fase importante dello sviluppo tecnologico.

La sola tensione di breakdown di laboratorio non dimostra che un semiconduttore di potenza sia pronto per sistemi pratici.

Gli inverter reali espongono i dispositivi a:

• stress di commutazione;

• cicli di temperatura;

• alta corrente;

• stress di gate;

• tensione transitoria;

• squilibrio tra dispositivi paralleli.

Le dimostrazioni a livello di sistema rivelano problemi di affidabilità che potrebbero non apparire in semplici misurazioni a livello di wafer.

Perché il wafer GaN conta ancora

Sia che il GaN verticale sia fabbricato su GaN nativo o silicio, la qualità del wafer rimane fondamentale.

I parametri importanti includono:

• densità di dislocazioni a filo;

• incurvamento e deformazione del wafer;

• uniformità dello spessore epitassiale;

• uniformità del drogaggio dello strato di deriva;

• rugosità superficiale;

• densità di fessure;

• compatibilità del contatto posteriore.

Per i dispositivi verticali ad alta tensione, gli spessi strati di deriva GaN diventano particolarmente importanti.

Piccole variazioni nello spessore o nel drogaggio possono tradursi in variazioni nella tensione di breakdown e nella resistenza on attraverso il wafer.

Ciò significa che la produzione di GaN verticale richiede non solo una buona struttura del transistor, ma anche un materiale epitassiale estremamente coerente.

Il GaN nativo avrà ancora un vantaggio

La ricerca GaN-on-silicon non dovrebbe essere interpretata come prova che i substrati GaN nativi stiano diventando non necessari.

Il GaN nativo rimane attraente per i dispositivi verticali ad altissime prestazioni perché può fornire una densità di difetti molto bassa e un'eccellente compatibilità cristallina.

Le revisioni del 2026 sulla tecnologia GaN verticale continuano a identificare il GaN nativo come una piattaforma importante per il funzionamento ad alta tensione, sottolineando al contempo il costo del substrato come un ostacolo importante alla commercializzazione diffusa.

Il mercato potrebbe quindi svilupparsi lungo due percorsi.

Il GaN nativo potrebbe servire applicazioni esigenti in cui la qualità del materiale giustifica il costo più elevato del substrato.

Il GaN-on-Si potrebbe mirare ad applicazioni ad alto volume in cui la scala di produzione e il costo sono più importanti.

La prossima domanda è la resa di produzione

Il GaN verticale ha già dimostrato prestazioni impressionanti in laboratorio.

La prossima sfida non è semplicemente raggiungere un altro record di tensione di breakdown.

L'industria deve determinare se i dispositivi verticali possono essere prodotti con:

• epitassia stabile da wafer a wafer;

• densità di difetti accettabile;

• interfacce MOS riproducibili;

• alta resa dei dispositivi;

• affidabilità a lungo termine;

• costo competitivo.

Se la tecnologia dei buffer GaN-on-Si a bassa resistenza continua a migliorare, il silicio potrebbe eventualmente fornire un ponte tra la fisica avanzata dei dispositivi GaN e la produzione di wafer ad alto volume.

Ciò rende il GaN verticale-on-Si uno degli sviluppi di wafer GaN più interessanti da osservare oltre il 2026.