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(xué)和華為技術(shù)有限公司的一篇論文引發(fā)了關(guān)注。

山東大學(xué)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）中實(shí)現(xiàn)了1200V擊穿性能。

那么，問題來了，垂直氮化鎵（GaN）到底是啥，這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)是什么？

垂直GaN：把耐壓突破到1200V以上

目前，寬禁帶半導(dǎo)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(shí)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(yè)界其實(shí)一直認(rèn)為GaN的潛力更大，尤其是1200V以上的應(yīng)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(yōu)值（Barriga）指數(shù)進(jìn)行比較，4H-SiC為500，而GaN則高得多，為930。

但是，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻是GaN很難突破1200V。想要進(jìn)一步突破耐壓，要么改善晶體質(zhì)量本身，進(jìn)一步減少體材料缺陷密度，要么換襯底，比如換成藍(lán)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(jié)構(gòu)，簡單可以理解為器件中陽極和陰極相對(duì)的位置，目前大多數(shù)硅基GaN器件是平面型結(jié)構(gòu)，即陽極和陰極處于同一平面上，導(dǎo)通電流在器件中橫向流動(dòng)；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(dǎo)通電流是豎向流動(dòng)。

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

橫向GaN如果想要增加電壓，必須擴(kuò)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(guān)速度、散熱性能、降低導(dǎo)通電阻RDS(on)、減少寄生電容、更易于產(chǎn)生雪崩效應(yīng)（幫助器件吸收電涌）。

雖然好處多多，但制造起來是個(gè)難題，落地更難。究其原因，就是貴?，F(xiàn)在行業(yè)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(xiàn)在遠(yuǎn)離表面的位置，所以主流采用同質(zhì)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(gè)器件的成本更高。

目前，2英寸GaN襯底價(jià)格高達(dá)1.5萬元人民幣，對(duì)比起來，8英寸硅外延片的市場價(jià)不到300元。所以想要發(fā)展好垂直GaN，就需要強(qiáng)大的制造能力，以及一定市場量級(jí)。2017年，中國科技部啟動(dòng)了“第三代半導(dǎo)體的襯底制備及同質(zhì)外延”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以推動(dòng)GaN單晶襯底和垂直型GaN-on-GaN功率器件發(fā)展。

GaN-on-GaN太貴，所以人們又瞄準(zhǔn)了GaN-on-Si。

華為的創(chuàng)新：用FIT替代MET

回到山東大學(xué)和華為的論文，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地應(yīng)用氟注入終端結(jié)構(gòu)的1200V全垂直Si基GaN溝槽MOSFET（FIT-MOS），氟注入終端FIT區(qū)域固有的具有負(fù)性電荷成為阻性區(qū)域，天然的隔離器件，取代了傳統(tǒng)的mesa刻蝕終端（MET），消除了mesa邊緣的電場集中效應(yīng)，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(xiàn)出3.3V的Vth，ON/OFF為達(dá)到了1e7，Ron,sp為5.6mΩ·cm2。這些結(jié)果表明，具有很好的性價(jià)比的Si基GaN垂直晶體管在kV級(jí)應(yīng)用中具有很大的潛力。

通常，電隔離GaN半導(dǎo)體器件都采用了MET，但MET會(huì)導(dǎo)致相對(duì)尖銳的拐角，電場往往會(huì)擁擠，導(dǎo)致過早擊穿。MET-MOS全垂直MOSFET的擊穿電壓約為650V。而改革團(tuán)隊(duì)的FIT-MOS器件的擊穿電壓達(dá)到1277V，提升了超125%。

總得來說，華為FIT-MOS的垂直GaN的指標(biāo)很不錯(cuò)：

• 比導(dǎo)通電阻（Ron,sp）：5.6mΩ·cm2

• 導(dǎo)通電流密度：8kA/cm2

• 開關(guān)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(jié)構(gòu)示意圖和（b）橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（溝槽柵極區(qū)域）

該團(tuán)隊(duì)指出，功率GaN器件正在與SiC競爭。雖然GaN在100~650V級(jí)別具有良好的性能，但SiC往往在1200V應(yīng)用中受到商業(yè)青睞。在低成本硅基板上的器件中實(shí)現(xiàn)1200V可能會(huì)使商業(yè)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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）外延材料制造而成。由AlGaN/AlN多層結(jié)構(gòu)組成的導(dǎo)電緩沖層，能夠?qū)崿F(xiàn)全垂直電流路徑，同時(shí)無需復(fù)雜的襯底工程工藝即可實(shí)現(xiàn)全垂直結(jié)構(gòu)。該緩沖層還能提供壓應(yīng)力，以補(bǔ)償在高溫MOCVD工藝后的冷卻過程中，上層GaN層可能產(chǎn)生的拉應(yīng)力。研究人員通過X射線分析估算螺紋位錯(cuò)密度為3.0×10?/cm2，而通過陰極熒光法得出的相應(yīng)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(jìn)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(zhì)。通過反應(yīng)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(gòu)成。氟離子可能會(huì)通過Ga空位擴(kuò)散，進(jìn)而從晶體管材料中逸出，對(duì)熱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

研究團(tuán)隊(duì)寫道：“采用優(yōu)化的注入后退火工藝，可有效降低關(guān)態(tài)泄漏電流密度，并提高FIT-MOS的熱可靠性?！狈抡娼Y(jié)果表明，F(xiàn)IT結(jié)構(gòu)減少了電場擁擠現(xiàn)象，例如在MET-MOS晶體管的臺(tái)面拐角處出現(xiàn)的電場擁擠。

通過將FIT器件與此前報(bào)道的垂直GaN對(duì)比，結(jié)合擊穿電壓和導(dǎo)通電阻計(jì)算得出的 BV2/Ron,sp 巴利加優(yōu)值（BFOM）為291MW/cm2，這一數(shù)值與在昂貴得多的本征GaN襯底上制備的器件相當(dāng)。同時(shí)，與昂貴的GaN/GaN晶體管相比，F(xiàn)IT-MOS在漂移層更薄的情況下實(shí)現(xiàn)了相近的擊穿電壓性能——前者的漂移層厚度為7微米，而達(dá)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(jìn)垂直GaN

在垂直GaN領(lǐng)域，多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)積極布局，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

PI和ONsemi兩家巨頭，通過收購垂直GaN公司，進(jìn)一步擴(kuò)展自己的產(chǎn)品線。

2024年5月，Power Integrations（PI）宣布收購Odyssey資產(chǎn)，而Odyssey恰好是一家垂直GaN公司。Odyssey不止一次強(qiáng)調(diào)，其650V和1200V垂直GaN器件提供更低的導(dǎo)通電阻和更高的品質(zhì)因數(shù)，其導(dǎo)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(gè)客戶的承諾來評(píng)估這些第一代產(chǎn)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(jià)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(shí)產(chǎn)權(quán)以及 NexGen所擁有的DeWitt工廠的設(shè)備。NexGen此前在垂直GaN領(lǐng)域頗有進(jìn)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(qū)項(xiàng)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(fā)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

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

博世對(duì)垂直GaN也躍躍欲試。2022年，消息稱博世在采用一家GaN初創(chuàng)公司的外延技術(shù)開發(fā)垂直氮化鎵器件。

一些初創(chuàng)公司也在關(guān)注垂直GaN。2022年報(bào)道顯示，隆德大學(xué)的衍生公司Hexagem正在開創(chuàng)一種垂直納米線生長工藝，與現(xiàn)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(duì)英飛凌和意法半導(dǎo)體等器件制造商來說是個(gè)好消息。

國內(nèi)方面，中鎵科技曾宣布制備的垂直型GaN–on-GaN SBD器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的擊穿電壓和較低的開啟電壓，以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，與已報(bào)道的傳統(tǒng)垂直型GaN SBD相比表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。此外，在2022年，中鎵科技宣布與北京大學(xué)、波蘭國家高壓實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了垂直的GaN/AIGaN結(jié)構(gòu)生長和垂直的二維電子氣溝道(2DEG)。以此為基礎(chǔ)廣東致能實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)具有垂直2DEG的常開器件(D-mode HEMT)和垂直常關(guān)器件(E-mode HEMT)。

近兩年來，增強(qiáng)型（E-mode）和耗盡型（D-mode）GaN兩條技術(shù)路線也在推動(dòng)著高耐壓氮化鎵器件的技術(shù)研發(fā)與量產(chǎn)進(jìn)程。值得關(guān)注的是，在藍(lán)寶石襯底的助力下，已有多家氮化鎵企業(yè)成功實(shí)現(xiàn)了1200V器件的技術(shù)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(yè)人士一直關(guān)注1200V以上耐壓的GaN，相比昂貴的藍(lán)寶石襯底，垂直GaN的確是一條不錯(cuò)的路線。

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