氮化镓GaN要变天了

本文来自： 电子工程世界 ，作者：付斌 提到氮化镓（GaN），多数人会想到650V以下的快充等消费场景。即便部分GaN HEMT能达到1200V、10kW开关功率，商用横向GaN的击穿电压仍有局限。为让GaN突破650V领域，在10kW~10MW高功率场景发挥作用，垂直结构应运而生——它能在不扩大芯片尺寸的前提下提升击穿电压，还能通过将峰值电场与热量转移到体衬底，优化可靠性与热管理。 但vGaN过去的痛点一直是成本，氮化镓晶圆价格高昂，制约了经济可行性。不过这一局面似乎正被打破。安森美（ONsemi）近期推出划时代的垂直GaN（Vertical GaN，vGaN），已向早期客户提供700V和1200V样品，目标直指AI数据中心800V系统、电动汽车、储能等原本独属于SiC的领域，GaN的发展轨迹正在被改写。 vGaN，即将规模化？ 回顾前几年，专注于vGaN的NexGen曾在2023年圣诞节前夕宣布破产，工厂随之关闭，工人也被解雇。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vGaN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vGaN器件来开发的电力驱动系统。但故事随着破产戛然而止。 而现在，安森美（ONsemi）在收购NexGen后，重新将vGaN发扬光大，并成为率先将vGaN规模化的企业。在其官网上，安森美充分介绍了在吸纳了这家公司后，vGaN的最新进展。 首先，对于vGaN来说，稳定的制造和供应是最重要。从PPT中，我们看到了安森美的野心：其研究人员研究这项技术已超过15年，拥有130+项专利，研发工作在一座面积达66，000平方英尺的洁净室设施内进行，该设施配备了用于vGaN生产的专用设备。下一代GaN-on-GaN将在安森美位于纽约州锡拉丘兹的晶圆厂开发和制造。 平面/横向GaN器件通常基于非本征/异质衬底，如Si、SiC、蓝宝石，或者说GaN-on-Si/SiC/蓝宝石，但vGaN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。一直以来，GaN-on-GaN成本较高，所以有些企业/团队选择研究GaN-on-Si。 安森美vGaN选择采用了GaN-on-GaN同质外延结构。安森美还放出了一张PPT，展示了GaN-on-GaN的优势： 核心工艺采用安森美专有GaN生长工艺，直接在GaN晶圆上生长厚且无缺陷的GaN层，需高精度外延技术与创新制造方法。pGaN和nGaN通过外延生长。值得注意的是，安森美解决了一个关键难题：掌握图案化表面上pGaN再生长技术（GaN掺杂需在外延生长中原位进行，pGaN再生长难度极高），并拥有该技术的多项专利。 晶体结构上，具有六方纤锌矿结构，具备独特的电子与光学特性，高键合强度、低本征缺陷，稳定性与可靠性优于传统材料（Si、SiC、横向GaN）。生长在极高温度下生长，进一步提升vGaN器件的稳定性与性能。 其次，器件的实现也是vGaN的重要课题。根据其PPT显示，安森美选择采用e-JFET（结型场效应晶体管）的器件形式，提供可扩展、高导电功率开关，实现了较低的整体导通电阻RDS(ON)，具备完整的雪崩能力。 目前，根据安森美的披露，其已向早期客户提供700V和1200V器件样品，通过技术演示可实现最高3300V的电压等级。 在效率和尺寸上，其vGaN也实现了能降低能量损耗、减少热量产生，使功率转换器缩小至平装书大小，实现系统小型化与高集成度。 最后，应用也相当重要。安森美认为vGaN可以充分满足当前市场需求，能够满足AI数据中心对于提升计算密度的需求、满足EV延长续航和快充的需求、满足可再生能源降本增效的需求，并解决传统材料（Si、SiC）在效率与尺寸上的瓶颈，通过对比来看，GaN本身的材料属性，便可天生应对高频的应用： 当然，随着GaN能够逐渐应对一些大功率的场景，那么它该和SiC怎么分配。安森美作为一家深耕SiC的公司也给出了答案——IGBT、SiC、SJ、vGaN这些技术有重合，但也有属于自己的擅长领域： 从横向到垂直，怎么就更好了 可能有些人有疑问，为什么电流从横向变成垂直，器件的击穿电压就更高了，GaN为什么就能应对650V以上甚至是3300V场景了？ 垂直结构之所以具备优势，核心在于它更容易触发雪崩效应。当电压超过击穿值时，雪崩现象会先通过反向极化的栅源二极管发生。随着雪崩电流逐渐增大，栅源电压会随之升高，进而让器件的沟道打开并实现导通。这种雪崩特性是器件自我保护的关键：一旦器件两端电压或导通电流出现峰值，具备该特性的器件就能吸收这些电涌，确保自身保持正常运行状态。 此外，vGaN半导体的电流垂直流经材料层，从而大幅降低了单位面积电阻，能够提高能效，减少功率转换损耗，特别适用于电动汽车的逆变器和其他高频、高效能的应用。 vGaN器件在结构上还自带独特优势。一方面，在器件面积相同的前提下，它可以通过增加晶体管内部漂移层（主要作用是传导电流）的厚度，来提升自身的电压等级，从而适配更高电压的应用场景。另一方面，它的电流导通路径面积更大，这使得它能够承受更高的电流密度，在高电流工况下也能稳定工作。 怎么判断一个器件是vGaN还是横向GaN？事实上，我们要反推到晶圆上，晶圆虽然是薄薄的一片，但也分正反面。栅极（G）、源极（S）、漏极（D）都在正面的，但通过某种方式，让电子移动路径变为“源极→垂直向下→横向流过外延层→再垂直向上到达漏极”的叫做准垂直型（Quasi-vertical）GaN，G、S在正面而D在背面的则为全垂直型（Full-Vertical）GaN。 从器件实现上来看，横向GaN中大多采用高电子迁移率晶体管（HEMT）设计，GaN HEMT与传统硅基功率晶体管相比，具有显著的性能优势，且成本越来越低。横向结构的另一个优点是有潜力在氮化镓功率HEMT芯片上集成有源或无源器件，实现诸如栅极驱动器、传感或保护电路等功能，这就是所谓的氮化镓功率集成电路或氮化镓功率集成。 不过，HEMT结构缺点是在另一衬底上外延生长（异质外延生长）时，在晶体层中会出现许多晶格缺陷。对于硅上生长的氮化镓，缺陷密度10 8 至10 10 cm ‒2 。这些缺陷会影响部件在高压下的可靠性。因此，目前市场上没有额定电压超过900V的GaN HEMT，大多数端电压最高为650V。 GaN-on-Si HMET结构代表原理图，图源丨NexGen 实现vGaN器件主要有五种方法： 沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（Trench MOSFET）； 鳍式场效应晶体管（FinFET）； 结型场效应晶体管（JFET）； 垂直结构肖特基二极管（SBD）； 电流孔径垂直电子晶体管（CAVET）。 不同厂商采用了不同的路线：桑迪亚国家实验室、山大/华为采用沟槽栅极垂直MOSFET、安森美（NexGen）采用JFET、Odyssey采用平面栅极MOSFET和FinFET、中镓科技采用垂直GaN-on-GaN SBD。 CAVET比较特殊，具有与传统HEMT相同的异质结构和相同的栅极模块。在CAVEAT中，源区域由在AlGaN/GaN界面附近的GaN通道中形成的二维电子气体（2DEG）组成，如HEMT中。沟槽孔将2DEG连接到孔径下方的n-GaN区域中形成的漏极。位于孔径上方的肖特基栅极调节器件的电流。如下图： 厂商不断加码 除了安森美，其实vGaN的市场还是很热闹的，很多厂商都在不断推进vGaN的规模化落地。 PI 2024年5月，Power Integrations（PI）宣布收购Odyssey资产，而Odyssey恰好是一家vGaN公司。Odyssey不止一次强调，其650V和1200VvGaN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vGaN FET晶体管样品。 信越化学 信越化学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 博世对vGaN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。 此外，博世在欧洲还参与了由公共资金支持的“YESvGAN”项目，旨在与超过20家工业伙伴共同推动vGaN半导体技术的突破。 Hexagem 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vGaN器件每平方厘米包含的缺陷要少得多。Hexage在2015年从隆德大学分立而出，Hexagem的路线是独一无二的。其正在使用硅衬底并结合独特的纳米线聚结技术。 Vertical Semiconductor 一家新成立的公司，在近期刚刚拿到1100万美元种子轮融资，由Playground Global领投，信越化学（Shin-Etsu Chemical）、JIMCO Technology Ventures与milemark•capital共同参与。该公司用一项源自MIT实验室的vGaN结构，挑战数据中心电力路径的密度极限。 山大与华为 山东大学和华为前阵子发布了一个论文，宣布在中国使用氟（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。 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%。 FIT-MOS的vGaN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 中镓科技 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)。 总结 当前GaN功率技术呈现出两大发展趋势。其一，是将系统外围设备与功率晶体管进行单片集成，这种方式不仅能降低系统成本与物料清单成本，更关键的是可以显著提升整体性能。其二，便是通过开发vGaN来提高器件的击穿电压，进而实现更高的开关功率。 随着安森美先一步在vGaN重点布局，一个全新的市场正在被开辟。 参考文献 [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]未来芯研究：https://mp.weixin.qq.com/s/skiKnkedpYGO35E5kVJL5g [8]三代半食堂：https://mp.weixin.qq.com/s/jj7WPn-k1cXG9WLdB-6OKA [9]博世汽车电子事业部：https://mp.weixin.qq.com/s/W9sGbIqPCdeB0b_vVp_Ibw [10]雅时化合物半导体：https://mp.weixin.qq.com/s/ccjdr2ZhqGKM8PFvgMScWw