華為在做的垂直GaN，到底是啥？

這幾年，華為在芯片上的布局可謂非常廣泛，而在最近，山東大學和華為技術有限公司的一篇論文引發了關注。

山東大學和華為在中國使用氟（F）離子注入終端（FIT）在全垂直氮化鎵（GaN）硅基硅（Si）溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）中實現了1200V擊穿性能。

那么，問題來了，垂直氮化鎵（GaN）到底是啥，這項研究的亮點是什么？

垂直GaN：把耐壓突破到1200V以上

目前，寬禁帶半導體（WBG）的格局基本可以歸納為：650V以下用GaN（氮化鎵），1200V以上用SiC（碳化硅）。

垂直GaN其實就代表著GaN的野心——取代1200V以上的SiC。

雖然SiC目前市場更廣泛，比如EV，但業界其實一直認為GaN的潛力更大，尤其是1200V以上的應用。如果將MOSFET和JFET等單極性功率器件的整體適用性與量化整體適用性的巴利加優值（Barriga）指數進行比較，4H-SiC為500，而GaN則高得多，為930。

但是，理想很豐滿，現實卻是GaN很難突破1200V。想要進一步突破耐壓，要么改善晶體質量本身，進一步減少體材料缺陷密度，要么換襯底，比如換成藍寶石襯底，要么就是從器件上改變——從橫向變成縱向/垂直（Vertical GaN）。

怎么理解垂直GaN？垂直GaN中“垂直”是指器件的結構，簡單可以理解為器件中陽極和陰極相對的位置，目前大多數硅基GaN器件是平面型結構，即陽極和陰極處于同一平面上，導通電流在器件中橫向流動；而垂直型GaN一般是基于GaN襯底，GaN襯底底面為陰極，陽極則位于上方，導通電流是豎向流動。

(a)平面型GaN-on-Si與(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型結構

橫向GaN如果想要增加電壓，必須擴展器件從而增加芯片面積，而垂直GaN電壓在厚的低摻雜漂移層上下降，這樣就很容易做到更高電壓。此外，垂直GaN能夠顯著提高功率密度、開關速度、散熱性能、降低導通電阻RDS(on)、減少寄生電容、更易于產生雪崩效應（幫助器件吸收電涌）。

雖然好處多多，但制造起來是個難題，落地更難。究其原因，就是貴。現在行業主流的形式是GaN-on-Si或者GaN-on-SiC，但垂直GaN器件峰值電場往往出現在遠離表面的位置，所以主流采用同質襯底，即GaN自支撐，也就是GaN-on-GaN。目前來看，GaN自支撐外延片的成本較高，此外，目前GaN自支撐襯底的外延片尺寸較小，這就使得單個器件的成本更高。

目前，2英寸GaN襯底價格高達1.5萬元人民幣，對比起來，8英寸硅外延片的市場價不到300元。所以想要發展好垂直GaN，就需要強大的制造能力，以及一定市場量級。2017年，中國科技部啟動了“第三代半導體的襯底制備及同質外延”重點研發計劃，以推動GaN單晶襯底和垂直型GaN-on-GaN功率器件發展。

GaN-on-GaN太貴，所以人們又瞄準了GaN-on-Si。

華為的創新：用FIT替代MET

回到山東大學和華為的論文，該團隊創新地應用氟注入終端結構的1200V全垂直Si基GaN溝槽MOSFET（FIT-MOS），氟注入終端FIT區域固有的具有負性電荷成為阻性區域，天然的隔離器件，取代了傳統的mesa刻蝕終端（MET），消除了mesa邊緣的電場集中效應，從而將FIT-MOS的BV從MET-MOS的567V提升到1277V。

此外，所制造的FIT-MOS表現出3.3V的Vth，ON/OFF為達到了1e7，Ron,sp為5.6mΩ·cm2。這些結果表明，具有很好的性價比的Si基GaN垂直晶體管在kV級應用中具有很大的潛力。

通常，電隔離GaN半導體器件都采用了MET，但MET會導致相對尖銳的拐角，電場往往會擁擠，導致過早擊穿。MET-MOS全垂直MOSFET的擊穿電壓約為650V。而改革團隊的FIT-MOS器件的擊穿電壓達到1277V，提升了超125%。

總得來說，華為FIT-MOS的垂直GaN的指標很不錯：

• 比導通電阻（Ron,sp）：5.6mΩ·cm2

• 導通電流密度：8kA/cm2

• 開關電流比：10?

• 閾值電壓（VTH）：3.3V（E-mode）

• 漂移層厚度：7μm

（a）具有氟注入端接（FIT-MOS）的全垂直硅基氮化鎵溝槽MOSFET的結構示意圖和（b）橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（溝槽柵極區域）

該團隊指出，功率GaN器件正在與SiC競爭。雖然GaN在100~650V級別具有良好的性能，但SiC往往在1200V應用中受到商業青睞。在低成本硅基板上的器件中實現1200V可能會使商業平衡向GaN傾斜。

全垂直晶體管是利用具有掩埋p-GaN層的GaN/硅金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）外延材料制造而成。由AlGaN/AlN多層結構組成的導電緩沖層，能夠實現全垂直電流路徑，同時無需復雜的襯底工程工藝即可實現全垂直結構。該緩沖層還能提供壓應力，以補償在高溫MOCVD工藝后的冷卻過程中，上層GaN層可能產生的拉應力。研究人員通過X射線分析估算螺紋位錯密度為3.0×10?/cm2，而通過陰極熒光法得出的相應估算值為1.4×10?/cm2。

氟離子注入分別在三種能量（及劑量）下進行：240keV（4×101?）、140keV（2×101?）和80keV（1.2×101?/cm2）。原子層沉積（ALD）二氧化硅（SiO?）被用作柵極電介質。通過反應離子蝕刻打開源極接觸窗口，源極和柵極金屬均為鉻/金，漏極接觸由低電阻率硅襯底構成。氟離子可能會通過Ga空位擴散，進而從晶體管材料中逸出，對熱穩定性產生不利影響。

研究團隊寫道：“采用優化的注入后退火工藝，可有效降低關態泄漏電流密度，并提高FIT-MOS的熱可靠性。”仿真結果表明，FIT結構減少了電場擁擠現象，例如在MET-MOS晶體管的臺面拐角處出現的電場擁擠。

通過將FIT器件與此前報道的垂直GaN對比，結合擊穿電壓和導通電阻計算得出的 BV2/Ron,sp 巴利加優值（BFOM）為291MW/cm2，這一數值與在昂貴得多的本征GaN襯底上制備的器件相當。同時，與昂貴的GaN/GaN晶體管相比，FIT-MOS在漂移層更薄的情況下實現了相近的擊穿電壓性能——前者的漂移層厚度為7微米，而達到1200V擊穿電壓的GaN/GaN 晶體管漂移層厚度通常超過10微米。

還有誰在推進垂直GaN

在垂直GaN領域，多家企業和機構積極布局，推動技術發展與產業化進程。

PI和ONsemi兩家巨頭，通過收購垂直GaN公司，進一步擴展自己的產品線。

2024年5月，Power Integrations（PI）宣布收購Odyssey資產，而Odyssey恰好是一家垂直GaN公司。Odyssey不止一次強調，其650V和1200V垂直GaN器件提供更低的導通電阻和更高的品質因數，其導通電阻僅為碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率顯著提高。2022年，Odyssey表示已獲得三個客戶的承諾來評估這些第一代產品樣品。2023年，Odyssey表示正在美國制造工作電壓為650V和1200V的垂直GaN FET晶體管樣品。

2025年1月，安森美（ONsemi）以2000萬美元的價格購買了位于紐約州德威特的原 NexGen Power Systems氮化鎵晶圓制造廠，包含NexGen的知識產權以及 NexGen所擁有的DeWitt工廠的設備。NexGen此前在垂直GaN領域頗有進展。2023年2月，NexGen宣布將提供700V和1200V的GaN樣品；2023年7月，NexGen還宣布與通用汽車合作的GaN主驅項目已獲得美國能源部 (DoE) 的資助——使用NexGen的垂直GaN器件來開發的電力驅動系統。

信越化學是離垂直GaN量產最近的一家企業，其主要掌握兩個關鍵技術，有望將材料成本降低90%：一是用GaN工程襯底實現了1800V耐壓，2019年信越化學獲得了美國QROMIS的(QST)工程襯底專利許可；二是襯底剝離技術，QST襯底至今未被大規模商用的原因在于缺乏高效剝離技術，信越化學聯合日本沖電氣工業（OKI）開發了CFB（晶體膜鍵合）技術，實現了GaN功能層與QST襯底的分離，同時還很好地解決缺陷問題，從而使高質量的QST襯底得到極大的改進。

博世對垂直GaN也躍躍欲試。2022年，消息稱博世在采用一家GaN初創公司的外延技術開發垂直氮化鎵器件。

一些初創公司也在關注垂直GaN。2022年報道顯示，隆德大學的衍生公司Hexagem正在開創一種垂直納米線生長工藝，與現今典型的橫向GaN器件相比，這些垂直GaN器件每平方厘米包含的缺陷要少得多，這對英飛凌和意法半導體等器件制造商來說是個好消息。

國內方面，中鎵科技曾宣布制備的垂直型GaN–on-GaN SBD器件同時實現了較高的擊穿電壓和較低的開啟電壓，以上各項數據均達到國際領先水平，與已報道的傳統垂直型GaN SBD相比表現出了優異的特性。此外，在2022年，中鎵科技宣布與北京大學、波蘭國家高壓實驗室開展了合作，使用乙烯氣源制備出了世界最高電阻率的半絕緣GaN自支撐襯底。

此外，在硅襯底上，廣東致能全球首次實現了垂直的GaN/AIGaN結構生長和垂直的二維電子氣溝道(2DEG)。以此為基礎廣東致能實現了全球首個具有垂直2DEG的常開器件(D-mode HEMT)和垂直常關器件(E-mode HEMT)。

近兩年來，增強型（E-mode）和耗盡型（D-mode）GaN兩條技術路線也在推動著高耐壓氮化鎵器件的技術研發與量產進程。值得關注的是，在藍寶石襯底的助力下，已有多家氮化鎵企業成功實現了1200V器件的技術突破，比如英諾賽科、致能、Transphorm、Fraunhofer。

總之，為了讓GaN更加大有可為，行業人士一直關注1200V以上耐壓的GaN，相比昂貴的藍寶石襯底，垂直GaN的確是一條不錯的路線。

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