本文来自微信公众号：电子工程世界 （ID：EEworldbbs），作者：付斌
这几年，华为在芯片上的布局可谓非常广泛，而在最近，山东大学和华为技术有限公司的一篇论文引发了关注。
山东大学和华为在中国使用氟（F）离子注入终端（FIT）在全垂直氮化镓（GaN）硅基硅（Si）沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中实现了1200V击穿性能。
那么，问题来了，垂直氮化镓（GaN）到底是啥，这项研究的亮点是什么？
垂直GaN：把耐压突破到1200V以上
目前，宽禁带半导体（WBG）的格局基本可以归纳为：650V以下用GaN（氮化镓），1200V以上用SiC（碳化硅）。
垂直GaN其实就代表着GaN的野心——取代1200V以上的SiC。
虽然SiC目前市场更广泛，比如EV，但业界其实一直认为GaN的潜力更大，尤其是1200V以上的应用。如果将MOSFET和JFET等单极性功率器件的整体适用性与量化整体适用性的巴利加优值（Barriga）指数进行比较，4H-SiC为500，而GaN则高得多，为930。
但是，理想很丰满，现实却是GaN很难突破1200V。想要进一步突破耐压，要么改善晶体质量本身，进一步减少体材料缺陷密度，要么换衬底，比如换成蓝宝石衬底，要么就是从器件上改变——从横向变成纵向/垂直（Vertical GaN）。
怎么理解垂直GaN？垂直GaN中“垂直”是指器件的结构，简单可以理解为器件中阳极和阴极相对的位置，目前大多数硅基GaN器件是平面型结构，即阳极和阴极处于同一平面上，导通电流在器件中横向流动；而垂直型GaN一般是基于GaN衬底，GaN衬底底面为阴极，阳极则位于上方，导通电流是竖向流动。
(a)平面型GaN-on-Si与(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型结构
横向GaN如果想要增加电压，必须扩展器件从而增加芯片面积，而垂直GaN电压在厚的低掺杂漂移层上下降，这样就很容易做到更高电压。此外，垂直GaN能够显著提高功率密度、开关速度、散热性能、降低导通电阻RDS(on)、减少寄生电容、更易于产生雪崩效应（帮助器件吸收电涌）。
虽然好处多多，但制造起来是个难题，落地更难。究其原因，就是贵。现在行业主流的形式是GaN-on-Si或者GaN-on-SiC，但垂直GaN器件峰值电场往往出现在远离表面的位置，所以主流采用同质衬底，即GaN自支撑，也就是GaN-on-GaN。目前来看，GaN自支撑外延片的成本较高，此外，目前GaN自支撑衬底的外延片尺寸较小，这就使得单个器件的成本更高。
目前，2英寸GaN衬底价格高达1.5万元人民币，对比起来，8英寸硅外延片的市场价不到300元。所以想要发展好垂直GaN，就需要强大的制造能力，以及一定市场量级。2017年，中国科技部启动了“第三代半导体的衬底制备及同质外延”重点研发计划，以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN-on-GaN功率器件发展。
GaN-on-GaN太贵，所以人们又瞄准了GaN-on-Si。
华为的创新：用FIT替代MET
回到山东大学和华为的论文，该团队创新地应用氟注入终端结构的1200V全垂直Si基GaN沟槽MOSFET（FIT-MOS），氟注入终端FIT区域固有的具有负性电荷成为阻性区域，天然的隔离器件，取代了传统的mesa刻蚀终端（MET），消除了mesa边缘的电场集中效应，从而将FIT-MOS的BV从MET-MOS的567V提升到1277V。
此外，所制造的FIT-MOS表现出3.3V的Vth，ON/OFF为达到了1e7，Ron，sp为5.6mΩ·cm2。这些结果表明，具有很好的性价比的Si基GaN垂直晶体管在kV级应用中具有很大的潜力。
通常，电隔离GaN半导体器件都采用了MET，但MET会导致相对尖锐的拐角，电场往往会拥挤，导致过早击穿。MET-MOS全垂直MOSFET的击穿电压约为650V。而改革团队的FIT-MOS器件的击穿电压达到1277V，提升了超125%。
总得来说，华为FIT-MOS的垂直GaN的指标很不错：
比导通电阻（Ron，sp）：5.6mΩ·cm²
导通电流密度：8kA/cm²
开关电流比：10⁷
阈值电压（VTH）：3.3V（E-mode）
漂移层厚度：7μm
（a）具有氟注入端接（FIT-MOS）的全垂直硅基氮化镓沟槽MOSFET的结构示意图和（b）横截面扫描电子显微镜（SEM）图像（沟槽栅极区域）
该团队指出，功率GaN器件正在与SiC竞争。虽然GaN在100~650V级别具有良好的性能，但SiC往往在1200V应用中受到商业青睐。在低成本硅基板上的器件中实现1200V可能会使商业平衡向GaN倾斜。
全垂直晶体管是利用具有掩埋p-GaN层的GaN/硅金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延材料制造而成。由AlGaN/AlN多层结构组成的导电缓冲层，能够实现全垂直电流路径，同时无需复杂的衬底工程工艺即可实现全垂直结构。该缓冲层还能提供压应力，以补偿在高温MOCVD工艺后的冷却过程中，上层GaN层可能产生的拉应力。研究人员通过X射线分析估算螺纹位错密度为3.0×10⁸/cm²，而通过阴极荧光法得出的相应估算值为1.4×10⁸/cm²。
氟离子注入分别在三种能量（及剂量）下进行：240keV（4×10¹⁴）、140keV（2×10¹⁴）和80keV（1.2×10¹⁴/cm²）。原子层沉积（ALD）二氧化硅（SiO₂）被用作栅极电介质。通过反应离子蚀刻打开源极接触窗口，源极和栅极金属均为铬/金，漏极接触由低电阻率硅衬底构成。氟离子可能会通过Ga空位扩散，进而从晶体管材料中逸出，对热稳定性产生不利影响。
研究团队写道：“采用优化的注入后退火工艺，可有效降低关态泄漏电流密度，并提高FIT-MOS的热可靠性。”仿真结果表明，FIT结构减少了电场拥挤现象，例如在MET-MOS晶体管的台面拐角处出现的电场拥挤。
通过将FIT器件与此前报道的垂直GaN对比，结合击穿电压和导通电阻计算得出的BV²/Ron，sp巴利加优值（BFOM）为291MW/cm²，这一数值与在昂贵得多的本征GaN衬底上制备的器件相当。同时，与昂贵的GaN/GaN晶体管相比，FIT-MOS在漂移层更薄的情况下实现了相近的击穿电压性能——前者的漂移层厚度为7微米，而达到1200V击穿电压的GaN/GaN晶体管漂移层厚度通常超过10微米。
还有谁在推进垂直GaN
在垂直GaN领域，多家企业和机构积极布局，推动技术发展与产业化进程。
PI和ONsemi两家巨头，通过收购垂直GaN公司，进一步扩展自己的产品线。
2024年5月，Power Integrations（PI）宣布收购Odyssey资产，而Odyssey恰好是一家垂直GaN公司。Odyssey不止一次强调，其650V和1200V垂直GaN器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数，其导通电阻仅为碳化硅(SiC)的十分之一，并且工作频率显着提高。2022年，Odyssey表示已获得三个客户的承诺来评估这些第一代产品样品。2023年，Odyssey表示正在美国制造工作电压为650V和1200V的垂直GaN FET晶体管样品。
2025年1月，安森美（ONsemi）以2000万美元的价格购买了位于纽约州德威特的原NexGen Power Systems氮化镓晶圆制造厂，包含NexGen的知识产权以及NexGen所拥有的DeWitt工厂的设备。NexGen此前在垂直GaN领域颇有进展。2023年2月，NexGen宣布将提供700V和1200V的GaN样品；2023年7月，NexGen还宣布与通用汽车合作的GaN主驱项目已获得美国能源部(DoE)的资助——使用NexGen的垂直GaN器件来开发的电力驱动系统。
信越化学是离垂直GaN量产最近的一家企业，其主要掌握两个关键技术，有望将材料成本降低90%：一是用GaN工程衬底实现了1800V耐压，2019年信越化学获得了美国QROMIS的(QST)工程衬底专利许可；二是衬底剥离技术，QST衬底至今未被大规模商用的原因在于缺乏高效剥离技术，信越化学联合日本冲电气工业（OKI）开发了CFB（晶体膜键合）技术，实现了GaN功能层与QST衬底的分离，同时还很好地解决缺陷问题，从而使高质量的QST衬底得到极大的改进。
博世对垂直GaN也跃跃欲试。2022年，消息称博世在采用一家GaN初创公司的外延技术开发垂直氮化镓器件。
一些初创公司也在关注垂直GaN。2022年报道显示，隆德大学的衍生公司Hexagem正在开创一种垂直纳米线生长工艺，与现今典型的横向GaN器件相比，这些垂直GaN器件每平方厘米包含的缺陷要少得多，这对英飞凌和意法半导体等器件制造商来说是个好消息。
国内方面，中镓科技曾宣布制备的垂直型GaN–on-GaN SBD器件同时实现了较高的击穿电压和较低的开启电压，以上各项数据均达到国际领先水平，与已报道的传统垂直型GaN SBD相比表现出了优异的特性。此外，在2022年，中镓科技宣布与北京大学、波兰国家高压实验室开展了合作，使用乙烯气源制备出了世界最高电阻率的半绝缘GaN自支撑衬底。
此外，在硅衬底上，广东致能全球首次实现了垂直的GaN/AIGaN结构生长和垂直的二维电子气沟道(2DEG)。以此为基础广东致能实现了全球首个具有垂直2DEG的常开器件(D-mode HEMT)和垂直常关器件(E-mode HEMT)。
近两年来，增强型（E-mode）和耗尽型（D-mode）GaN两条技术路线也在推动着高耐压氮化镓器件的技术研发与量产进程。值得关注的是，在蓝宝石衬底的助力下，已有多家氮化镓企业成功实现了1200V器件的技术突破，比如英诺赛科、致能、Transphorm、Fraunhofer。
总之，为了让GaN更加大有可为，行业人士一直关注1200V以上耐压的GaN，相比昂贵的蓝宝石衬底，垂直GaN的确是一条不错的路线。
