氮化鎵GaN，要變天了？

提到氮化鎵（GaN），多數(shù)人會(huì)想到650V以下的快充等消費(fèi)場(chǎng)景。即便部分GaN HEMT能達(dá)到1200V、10kW開(kāi)關(guān)功率，商用橫向GaN的擊穿電壓仍有局限。為讓GaN突破 650V領(lǐng)域，在10kW~10MW高功率場(chǎng)景發(fā)揮作用，垂直結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生——它能在不擴(kuò)大芯片尺寸的前提下提升擊穿電壓，還能通過(guò)將峰值電場(chǎng)與熱量轉(zhuǎn)移到體襯底，優(yōu)化可靠性與熱管理。

但vGaN過(guò)去的痛點(diǎn)一直是成本，氮化鎵晶圓價(jià)格高昂，制約了經(jīng)濟(jì)可行性。不過(guò)這一局面似乎正被打破。安森美（ONsemi）近期推出劃時(shí)代的垂直GaN（Vertical GaN，vGaN），已向早期客戶提供700V和1200V樣品，目標(biāo)直指AI數(shù)據(jù)中心800V系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等原本獨(dú)屬于SiC的領(lǐng)域，GaN的發(fā)展軌跡正在被改寫。

vGaN，即將規(guī)模化？

回顧前幾年，專注于vGaN的NexGen曾在2023年圣誕節(jié)前夕宣布破產(chǎn)，工廠隨之關(guān)閉，工人也被解雇。2025年1月，安森美（ONsemi）以2000萬(wàn)美元的價(jià)格購(gòu)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vGaN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(guó)能源部(DoE) 的資助——使用NexGen的vGaN器件來(lái)開(kāi)發(fā)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但故事隨著破產(chǎn)戛然而止。

而現(xiàn)在，安森美（ONsemi）在收購(gòu)NexGen后，重新將vGaN發(fā)揚(yáng)光大，并成為率先將vGaN規(guī)模化的企業(yè)。在其官網(wǎng)上，安森美充分介紹了在吸納了這家公司后，vGaN的最新進(jìn)展。

首先，對(duì)于vGaN來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的制造和供應(yīng)是最重要。從PPT中，我們看到了安森美的野心：其研究人員研究這項(xiàng)技術(shù)已超過(guò)15 年，擁有130+項(xiàng)專利，研發(fā)工作在一座面積達(dá)66,000平方英尺的潔凈室設(shè)施內(nèi)進(jìn)行，該設(shè)施配備了用于vGaN生產(chǎn)的專用設(shè)備。下一代GaN-on-GaN將在安森美位于紐約州錫拉丘茲的晶圓廠開(kāi)發(fā)和制造。

平面/橫向GaN器件通常基于非本征/異質(zhì)襯底，如Si、SiC、藍(lán)寶石，或者說(shuō)GaN-on-Si /SiC/藍(lán)寶石，但vGaN器件峰值電場(chǎng)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。一直以來(lái)，GaN-on-GaN成本較高，所以有些企業(yè)/團(tuán)隊(duì)選擇研究GaN-on-Si。

安森美vGaN選擇采用了GaN-on-GaN 同質(zhì)外延結(jié)構(gòu)。安森美還放出了一張PPT，展示了GaN-on-GaN的優(yōu)勢(shì)：

核心工藝采用安森美專有GaN生長(zhǎng)工藝，直接在GaN晶圓上生長(zhǎng)厚且無(wú)缺陷的GaN層，需高精度外延技術(shù)與創(chuàng)新制造方法。pGaN和nGaN通過(guò)外延生長(zhǎng)。值得注意的是，安森美解決了一個(gè)關(guān)鍵難題：掌握?qǐng)D案化表面上pGaN再生長(zhǎng)技術(shù)（GaN摻雜需在外延生長(zhǎng)中原位進(jìn)行，pGaN再生長(zhǎng)難度極高），并擁有該技術(shù)的多項(xiàng)專利。

晶體結(jié)構(gòu)上，具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具備獨(dú)特的電子與光學(xué)特性，高鍵合強(qiáng)度、低本征缺陷，穩(wěn)定性與可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)材料（Si、SiC、橫向GaN）。生長(zhǎng)在極高溫度下生長(zhǎng)，進(jìn)一步提升vGaN器件的穩(wěn)定性與性能。

其次，器件的實(shí)現(xiàn)也是vGaN的重要課題。根據(jù)其PPT顯示，安森美選擇采用e-JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的器件形式，提供可擴(kuò)展、高導(dǎo)電功率開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了較低的整體導(dǎo)通電阻 RDS (ON)，具備完整的雪崩能力。

目前，根據(jù)安森美的披露，其已向早期客戶提供700V和1200V器件樣品，通過(guò)技術(shù)演示可實(shí)現(xiàn)最高3300V的電壓等級(jí)。

在效率和尺寸上，其vGaN也實(shí)現(xiàn)了能降低能量損耗、減少熱量產(chǎn)生，使功率轉(zhuǎn)換器縮小至平裝書(shū)大小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化與高集成度。

最后，應(yīng)用也相當(dāng)重要。安森美認(rèn)為vGaN可以充分滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，能夠滿足AI數(shù)據(jù)中心對(duì)于提升計(jì)算密度的需求、滿足EV延長(zhǎng)續(xù)航和快充的需求、滿足可再生能源降本增效的需求，并解決傳統(tǒng)材料（Si、SiC）在效率與尺寸上的瓶頸，通過(guò)對(duì)比來(lái)看，GaN本身的材料屬性，便可天生應(yīng)對(duì)高頻的應(yīng)用：

當(dāng)然，隨著GaN能夠逐漸應(yīng)對(duì)一些大功率的場(chǎng)景，那么它該和SiC怎么分配。安森美作為一家深耕SiC的公司也給出了答案——IGBT、SiC、SJ、vGaN這些技術(shù)有重合，但也有屬于自己的擅長(zhǎng)領(lǐng)域：

從橫向到垂直，怎么就更好了

可能有些人有疑問(wèn)，為什么電流從橫向變成垂直，器件的擊穿電壓就更高了，GaN為什么就能應(yīng)對(duì)650V以上甚至是3300V場(chǎng)景了？

垂直結(jié)構(gòu)之所以具備優(yōu)勢(shì)，核心在于它更容易觸發(fā)雪崩效應(yīng)。當(dāng)電壓超過(guò)擊穿值時(shí)，雪崩現(xiàn)象會(huì)先通過(guò)反向極化的柵源二極管發(fā)生。隨著雪崩電流逐漸增大，柵源電壓會(huì)隨之升高，進(jìn)而讓器件的溝道打開(kāi)并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。這種雪崩特性是器件自我保護(hù)的關(guān)鍵：一旦器件兩端電壓或?qū)娏鞒霈F(xiàn)峰值，具備該特性的器件就能吸收這些電涌，確保自身保持正常運(yùn)行狀態(tài)。

此外，vGaN半導(dǎo)體的電流垂直流經(jīng)材料層，從而大幅降低了單位面積電阻，能夠提高能效，減少功率轉(zhuǎn)換損耗，特別適用于電動(dòng)汽車的逆變器和其他高頻、高效能的應(yīng)用。

vGaN器件在結(jié)構(gòu)上還自帶獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。一方面，在器件面積相同的前提下，它可以通過(guò)增加晶體管內(nèi)部漂移層（主要作用是傳導(dǎo)電流）的厚度，來(lái)提升自身的電壓等級(jí)，從而適配更高電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。另一方面，它的電流導(dǎo)通路徑面積更大，這使得它能夠承受更高的電流密度，在高電流工況下也能穩(wěn)定工作。

怎么判斷一個(gè)器件是vGaN還是橫向GaN？事實(shí)上，我們要反推到晶圓上，晶圓雖然是薄薄的一片，但也分正反面。柵極（G）、源極（S）、漏極（D）都在正面的，但通過(guò)某種方式，讓電子移動(dòng)路徑變?yōu)椤霸礃O→垂直向下→橫向流過(guò)外延層→再垂直向上到達(dá)漏極”的叫做準(zhǔn)垂直型（Quasi-vertical）GaN，G、S在正面而D在背面的則為全垂直型（Full-Vertical）GaN。

從器件實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，橫向GaN中大多采用高電子遷移率晶體管（HEMT）設(shè)計(jì)，GaN HEMT與傳統(tǒng)硅基功率晶體管相比，具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，且成本越來(lái)越低。橫向結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有潛力在氮化鎵功率HEMT芯片上集成有源或無(wú)源器件，實(shí)現(xiàn)諸如柵極驅(qū)動(dòng)器、傳感或保護(hù)電路等功能，這就是所謂的氮化鎵功率集成電路或氮化鎵功率集成。

不過(guò)，HEMT結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是在另一襯底上外延生長(zhǎng)（異質(zhì)外延生長(zhǎng)）時(shí)，在晶體層中會(huì)出現(xiàn)許多晶格缺陷。對(duì)于硅上生長(zhǎng)的氮化鎵，缺陷密度108至1010cm?2。這些缺陷會(huì)影響部件在高壓下的可靠性。因此，目前市場(chǎng)上沒(méi)有額定電壓超過(guò)900V的GaN HEMT，大多數(shù)端電壓最高為650V。

GaN-on-Si HMET結(jié)構(gòu)代表原理圖，圖源丨NexGen

實(shí)現(xiàn)vGaN器件主要有五種方法：

• 溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Trench MOSFET）；

• 鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）；

• 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）；

• 垂直結(jié)構(gòu)肖特基二極管（SBD）；

• 電流孔徑垂直電子晶體管（CAVET）。

不同廠商采用了不同的路線：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、山大/華為采用溝槽柵極垂直MOSFET、安森美（NexGen）采用JFET、Odyssey采用平面柵極MOSFET和FinFET、中鎵科技采用垂直GaN-on-GaN SBD。

CAVET比較特殊，具有與傳統(tǒng)HEMT相同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和相同的柵極模塊。在CAVEAT中，源區(qū)域由在AlGaN/GaN界面附近的GaN通道中形成的二維電子氣體（2DEG）組成，如 HEMT中。溝槽孔將2DEG連接到孔徑下方的n-GaN區(qū)域中形成的漏極。位于孔徑上方的肖特基柵極調(diào)節(jié)器件的電流。如下圖：

廠商不斷加碼

除了安森美，其實(shí)vGaN的市場(chǎng)還是很熱鬧的，很多廠商都在不斷推進(jìn)vGaN的規(guī)模化落地。

PI

2024年5月，Power Integrations（PI）宣布收購(gòu)Odyssey資產(chǎn)，而Odyssey恰好是一家vGaN公司。Odyssey不止一次強(qiáng)調(diào)，其650V和1200VvGaN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(lái)評(píng)估這些第一代產(chǎn)品樣品。2023年，Odyssey表示正在美國(guó)制造工作電壓為650V和1200V的vGaN FET晶體管樣品。

信越化學(xué)

信越化學(xué)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(guó)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(kāi)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(wèn)題，從而使高質(zhì)量的QST襯底得到極大的改進(jìn)。

博世

博世對(duì)vGaN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(kāi)發(fā)垂直氮化鎵器件。

此外，博世在歐洲還參與了由公共資金支持的“YESvGAN”項(xiàng)目，旨在與超過(guò)20家工業(yè)伙伴共同推動(dòng)vGaN半導(dǎo)體技術(shù)的突破。

Hexagem

2022年報(bào)道顯示，隆德大學(xué)的衍生公司Hexagem正在開(kāi)創(chuàng)一種垂直納米線生長(zhǎng)工藝，與現(xiàn)今典型的橫向GaN器件相比，這些vGaN器件每平方厘米包含的缺陷要少得多。Hexage在2015年從隆德大學(xué)分立而出，Hexagem的路線是獨(dú)一無(wú)二的。其正在使用硅襯底并結(jié)合獨(dú)特的納米線聚結(jié)技術(shù)。

Vertical Semiconductor

一家新成立的公司，在近期剛剛拿到1100 萬(wàn)美元種子輪融資，由Playground Global領(lǐng)投，信越化學(xué)（Shin-Etsu Chemical）、JIMCO Technology Ventures與milemark?capital共同參與。該公司用一項(xiàng)源自MIT實(shí)驗(yàn)室的vGaN結(jié)構(gòu)，挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)中心電力路徑的密度極限。

山大與華為

山東大學(xué)和華為前陣子發(fā)布了一個(gè)論文，宣布在中國(guó)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）中實(shí)現(xiàn)了1200V擊穿性能。

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(chǎng)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(chǎng)往往會(huì)擁擠，導(dǎo)致過(guò)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%。

FIT-MOS的vGaN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(kāi)關(guān)電流比：10?閾值電壓（VTH）：3.3V（E-mode）漂移層厚度：7μm

中鎵科技

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(kāi)啟電壓，以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到國(guó)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(guó)家高壓實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(zhǎng)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(kāi)器件(D-mode HEMT)和垂直常關(guān)器件(E-mode HEMT)。

總結(jié)

當(dāng)前GaN功率技術(shù)呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢(shì)。其一，是將系統(tǒng)外圍設(shè)備與功率晶體管進(jìn)行單片集成，這種方式不僅能降低系統(tǒng)成本與物料清單成本，更關(guān)鍵的是可以顯著提升整體性能。其二，便是通過(guò)開(kāi)發(fā)vGaN來(lái)提高器件的擊穿電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)功率。

隨著安森美先一步在vGaN重點(diǎn)布局，一個(gè)全新的市場(chǎng)正在被開(kāi)辟。

參考文獻(xiàn)

[1]ONsemi：https://www.onsemi.com/company/news-media/press-announcements/en/onsemi-unveils-vertical-gan-semiconductors-a-breakthrough-for-ai-and-electrification

[2]Tohru Oka 2019 Jpn. J. Appl. Phys. 58 SB0805.DOI:10.7567/1347-4065/ab02e7

[3]Bodospower：https://www.bodospower.com/pdf/bp_article_2262.pdf

[4]Powerelectronicsnews：https://www.powerelectronicsnews.com/advances-in-the-development-of-vertical-gan-transistor-technology/

[5]EETimes：https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/

[6]宴小北：https://mp.weixin.qq.com/s/PfbRCFENmjPSA3BQ3zCXnQ

[7]未來(lái)芯研究：https://mp.weixin.qq.com/s/skiKnkedpYGO35E5kVJL5g

[8]三代半食堂：https://mp.weixin.qq.com/s/jj7WPn-k1cXG9WLdB-6OKA

[9]博世汽車電子事業(yè)部：https://mp.weixin.qq.com/s/W9sGbIqPCdeB0b_vVp_Ibw

[10]雅時(shí)化合物半導(dǎo)體：https://mp.weixin.qq.com/s/ccjdr2ZhqGKM8PFvgMScWw

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