Galliumnitrid Leistungshalbleiter haben sich hauptsächlich um laterale HEMT-Architekturen entwickelt. Diese Bauelemente sind in Schnellladegeräten, Server-Netzteilen, Motorsteuerungen und anderen Hochfrequenz-Leistungsumwandlungsanwendungen immer wichtiger geworden.

Im Jahr 2026 steigt jedoch das Interesse an vertikalem GaN.

Der Hauptunterschied liegt in der Richtung des Stromflusses.

In einem herkömmlichen lateralen GaN-HEMT fließt der Strom hauptsächlich entlang der Oberfläche der Epitaxiestruktur. In einem vertikalen Bauelement fließt der Strom durch die Dicke des Halbleiters.

Diese Änderung könnte es GaN ermöglichen, höhere Spannungs- und Stromstufen zu erreichen, ohne die laterale Chipfläche kontinuierlich zu vergrößern.

Die Herausforderung ist das Substrat.

Warum vertikales GaN traditionell natives GaN benötigte

Vertikale Leistungshalbleiter erfordern, dass der Strom durch die Epitaxiestruktur zum Rückseitenkontakt fließt.

Bulk-GaN-Substrate eignen sich gut für diese Architektur, da das Substrat und die Epitaxieschicht im Wesentlichen das gleiche Kristallsystem aufweisen.

Dies kann Folgendes bieten:

• geringere Dichte an Fehlstellen;

• verbesserte epitaktische Kompatibilität;

• ein direkter vertikaler Leitweg;

• reduzierte Gitterfehlanpassungsspannung;

• bessere Unterstützung für dicke Hochspannungs-Driftschichten.

Native GaN-Substrate bleiben jedoch erheblich kleiner und teurer als herkömmliche Siliziumwafer.

Dies begrenzt den wirtschaftlichen Vorteil von vertikalem GaN für die Massenmarkt-Leistungselektronik.

Wenn vertikales GaN stattdessen auf großen Siliziumwafern hergestellt werden könnte, könnten sich die wirtschaftlichen Aspekte erheblich ändern.

Das Problem mit herkömmlichen GaN-on-Si-Puffern

GaN direkt auf Silizium wachsen zu lassen, ist schwierig.

GaN und Silizium haben unterschiedliche Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Infolgedessen erfordern herkömmliche GaN-on-Si-Strukturen normalerweise entwickelte Pufferschichten zur Kontrolle von:

• Spannung;

• Rissbildung;

• Versetzungen;

• Waferverzug;

• elektrische Isolation.

Diese Pufferschichten funktionieren gut für laterale Bauelemente.

Für vertikale Bauelemente kann ein hochohmiger Puffer jedoch zu einem großen Problem werden, da der Strom durch die Struktur fließen muss.

Die gleiche Schicht, die zur Isolation eines lateralen GaN-Transistors beiträgt, kann den vertikalen Stromfluss blockieren.

Deshalb wird die Entwicklung von niederohmigen Puffern zu einer wichtigen Forschungsrichtung.

Ein neuer Ansatz für niederohmige Zwischenschichten

Im Jahr 2026 berichteten Forscher aus Japan über einen neuen Ansatz zum Wachstum von GaN auf Si(111) unter Verwendung einer extrem dünnen, amorph-ähnlichen Zwischenschicht.

Die Methode bildet eine Zwischenschicht von etwa sub-Nanometer-Größe zwischen Silizium und GaN, die hilft, die Gitterfehlanpassung auszugleichen und gleichzeitig einen niedrigen vertikalen elektrischen Widerstand aufrechtzuerhalten.

Die Forscher zeigten, dass der Ansatz das nachfolgende MOCVD-GaN-Wachstum unterstützen könnte, während eine robuste thermische Stabilität und eine vertikale Stromleitung aufrechterhalten werden.

Die Bedeutung liegt nicht einfach in einer weiteren GaN-Pufferschichtstruktur.

Sie adressiert einen der zentralen Widersprüche bei vertikalem GaN-on-Si:

Die Grenzfläche muss Kristallfehlanpassungen absorbieren, ohne eine elektrische Barriere zu werden.

Wenn solche Strukturen zuverlässig skaliert werden können, könnten sie Silizium zu einer praktikableren Plattform für vertikale GaN-Bauelemente machen.

200-mm-Silizium macht das Konzept interessanter

Silizium bietet einen großen Vorteil, den natives GaN wirtschaftlich noch nicht bietet:

großflächige Halbleiterinfrastruktur.

200-mm-Silizium-Fabs verfügen bereits über ausgereifte Anlagen für:

• Lithografie;

• Dotierung;

• Metallisierung;

• Inspektion;

• Waferhandling;

• automatisierte Prozesskontrolle.

Im Jahr 2026 veröffentlichte Forschung zeigte ein Lawinenverhalten in pseudo-vertikalen GaN-p-n-Dioden, die mit GaN-Epitaxie auf 200-mm-Siliziumsubstraten hergestellt wurden. Die Bauelemente erreichten etwa 805 V ohne dedizierte Kantenabschirmung, was zeigt, wie die GaN-on-Si-Forschung beginnt, über traditionelle laterale Transistorstrukturen hinauszugehen.

Das bedeutet nicht, dass vertikales GaN-on-Si bereit ist, bestehende GaN- oder SiC-Plattformen zu ersetzen.

Aber es zeigt, warum Forscher weiterhin Wege untersuchen, die Physik vertikaler GaN-Bauelemente mit der Wirtschaftlichkeit großer Siliziumwafer zu kombinieren.

Vertikales GaN geht auch in Systemtests

Eine weitere wichtige Veränderung im Jahr 2026 ist, dass vertikales GaN über einzelne Testbauelemente hinausgeht.

Forscher demonstrierten einen 10,4-kW-Dreiphasenwechselrichter, der vertikale GaN-Trench-MOSFETs verwendet.

Die Arbeit identifizierte auch Zuverlässigkeitsprobleme im Zusammenhang mit Schwellenspannungsverschiebungen und erhöhten Einschaltwiderständen, was die Bedeutung der Verbesserung der MOS-Grenzfläche und des p-Body-Designs unterstreicht.

Dies ist eine wichtige Phase der Technologieentwicklung.

Die Durchbruchspannung im Labor allein beweist nicht, dass ein Leistungshalbleiter für praktische Systeme bereit ist.

Echte Wechselrichter setzen Bauelemente folgenden Belastungen aus:

• Schaltbelastung;

• Temperaturzyklen;

• hoher Strom;

• Gate-Belastung;

• transiente Spannung;

• Ungleichgewicht paralleler Bauelemente.

Systemdemonstrationen decken Zuverlässigkeitsprobleme auf, die bei einfachen Wafer-Messungen möglicherweise nicht auftreten.

Warum der GaN-Wafer immer noch wichtig ist

Ob vertikales GaN auf nativem GaN oder Silizium hergestellt wird, die Waferqualität bleibt grundlegend.

Wichtige Parameter sind:

• Dichte der Fehlstellen;

• Waferverzug und -krümmung;

• Gleichmäßigkeit der Epitaxiedicke;

• Gleichmäßigkeit der Driftschichtdotierung;

• Oberflächenrauheit;

• Rissdichte;

• Kompatibilität des Rückseitenkontakts.

Für Hochspannungs-Vertikalbauelemente werden dicke GaN-Driftschichten besonders wichtig.

Kleine Schwankungen in Dicke oder Dotierung können sich auf Schwankungen der Durchbruchspannung und des Einschaltwiderstands über den Wafer übertragen.

Das bedeutet, dass die Herstellung von vertikalem GaN nicht nur eine gute Transistorstruktur, sondern auch extrem konsistentes Epitaxiematerial erfordert.

Natives GaN wird immer noch einen Vorteil haben

GaN-on-Silicon-Forschung sollte nicht als Beweis dafür interpretiert werden, dass native GaN-Substrate überflüssig werden.

Natives GaN bleibt für die vertikalen Bauelemente mit der höchsten Leistung attraktiv, da es eine sehr geringe Defektdichte und eine ausgezeichnete Kristallkompatibilität bieten kann.

Überprüfungen der vertikalen GaN-Technologie im Jahr 2026 identifizieren natives GaN weiterhin als wichtige Plattform für den Hochspannungsbetrieb, betonen aber gleichzeitig die Substratkosten als Haupthindernis für eine breite Kommerzialisierung.

Der Markt könnte sich daher entlang zweier Wege entwickeln.

Natives GaN könnte anspruchsvolle Anwendungen bedienen, bei denen die Materialqualität die höheren Substratkosten rechtfertigt.

GaN-on-Si könnte auf volumenstarke Anwendungen abzielen, bei denen Fertigungsumfang und Kosten wichtiger sind.

Die nächste Frage ist die Fertigungsausbeute

Vertikales GaN hat bereits beeindruckende Laborleistungen gezeigt.

Die nächste Herausforderung ist nicht einfach, einen weiteren Durchbruchspannungsrekord zu erzielen.

Die Industrie muss feststellen, ob vertikale Bauelemente mit folgenden Eigenschaften hergestellt werden können:

• stabile Wafer-zu-Wafer-Epitaxie;

• akzeptable Defektdichte;

• reproduzierbare MOS-Grenzflächen;

• hohe Bauelementausbeute;

• langfristige Zuverlässigkeit;

• wettbewerbsfähige Kosten.

Wenn sich die niederohmige GaN-on-Si-Pufferechnologie weiter verbessert, könnte Silizium schließlich eine Brücke zwischen fortschrittlicher GaN-Bauelementphysik und volumenstarker Waferfertigung bieten.

Das macht vertikales GaN-on-Si zu einer der interessantesten GaN-Wafer-Entwicklungen, die über 2026 hinaus zu beobachten sind.