垂直GaN，还好吗？

宽禁带材料有望作为高功率效率的功率器件材料。特别是GaN、碳化硅（SiC）的技术开发和应用取得快速进展。横向 GaN HEMT 已应用于耐压 650V 以下的应用，例如用于 PC 的超小型交流适配器和超小型智能手机充电器，而垂直 SiC 沟槽 MOSFET 已应用于牵引逆变器（主电机驱动）等应用。应用于电动汽车（EV）耐压1200V以上的应用，其社会化应用正在迅速加速。

虽然，氮化镓（GaN）虽然非常适合作为功率器件材料，但由于难以生产高质量的衬底，直到现在才能够展示其真正的潜力。但日本大阪大学教授 Yusuke Mori 先生正在致力于开发高质量、大直径 GaN 衬底实现创新的二氧化碳减排。”根据迄今为止取得的成果，“释放 GaN 作为功率器件材料的巨大潜力的准备工作正在稳步推进。”“它有取代碳化硅 (SiC) 的潜力，预计将在电路中找到更广泛的应用。”

如果我们使用 Barriga 指数来比较 MOSFET 和结型 FET (JFET) 等单极功率器件的整体适用性，该指数量化了 MOSFET 和结型 FET (JFET) 等单极功率器件的整体适用性，我们发现，当SiC在晶体多晶型为 4H时，指数为 500；而 GaN 则高得多，为 930。

Variga 品质因数是由电子迁移率 (μe)、介电常数 (ε) 和介电击穿强度 (Ec) 等物理特性决定的值，原本 GaN 即使在耐压 1200V 或 1200V 的应用中也优于 SiC。这表明它作为功率器件材料具有很高的潜力。如果能够挖掘这一潜力，很有可能通过高频工作使应用设备变得更小、更轻，进一步提高电源效率，提高应用设备的产量。

此外，在使用SiC基功率器件时，一直有人担心可靠性问题，并希望应用GaN作为根本解决方案。SiC晶体有200多种类型，每种都有不同的堆叠结构和构成四面体晶体结构的四个最近的原子的排列，具体而言，主要包括“3C”、“4H”、“6”、“15R”这集中结构。

每种材料都有不同的物理特性，而4H具有高迁移率，专门用于许多功率器件。人们担心的是，当器件在反复加热和冷却的环境中使用时，可能会发生相变，导致器件质量发生变化，导致故障和失效。

当然，在使用SiC器件时，我们会通过改进器件结构、质量控制、驱动电路、运行条件、系统配置等措施来解决多态性问题。但可以肯定的是，如果能从物质本身消除引起焦虑的根本因素，就可以实现不依赖对症治疗的根治。

对于GaN，则有其六方纤锌矿结构和立方闪锌矿两种不同的结构。其中，前者是一种稳定相，用于器件制造；后者也是已知的，但它不是稳定相。这就是为什么在需要高可靠性的应用中希望使用 GaN 代替 SiC。

尽管有这样的背景，但 GaN 器件目前尚未用于处理大量功率的应用（例如电动汽车的牵引逆变器）是有原因的。为了应对高功率，需要将输入端子和控制端子放置在类似于硅基MOSFET和IGBT（绝缘栅双极晶体管）的半导体基板的正面，并将输出端子放置在背面。创建一个允许大电流流过的垂直装置。

此时，实现垂直GaN器件需要完全由GaN制成的自支撑衬底，但采用传统的衬底制造技术，会出现许多穿透衬底并阻碍器件工作的位错，不幸的是，质量还没有达到可以满足要求的水平。使垂直GaN器件的实现成为可能。

此外，为了实现可量产的垂直GaN器件，不仅需要提高衬底质量，还需要增大直径，这直接导致器件制造成本的降低。最近，一些公司已经开始量产和销售高质量的GaN自支撑衬底。例如，三菱化学已开始供应采用称为氨热法的液相晶体生长技术制成的 4 英寸衬底样品，该技术允许高品质 GaN 晶体的高通量生长。

然而，行业人士认为，由于晶体生长的特性，使用氨热法增加基板的直径将被限制在约4英寸。需要实现技术突破来制造直径更大的高质量独立式 GaN 衬底。

垂直型氮化镓（GaN）半导体的研发工作顺利、且正朝着实用化迈进。

从2022年开始，松下HD和丰田合成分别研发了以下两种计划应用于EV逆变器的垂直型GaN功率半导体。其一为松下HD研发的垂直型Junction FET（JFET），该产品不仅有助于实现高频工作设备的小型化、轻量化，且具有p-GaN栅（Gate）结构。其二为丰田合成研发的有望实现极高通用性的垂直型沟道MOSFET。

图1：结合Na助熔剂法和多点引晶法制造大直径、高质量的GaN籽晶（左）工艺概念图，（右）制造的6英寸GaN籽晶。

据了解，在该项目中，丰田合成引进了一种制造高质量、大直径GaN衬底的技术，该技术结合了大阪大学开发的“Na助熔剂法”和“多点籽晶法”（图1 ），开发一种可以生长8英寸以上大直径晶体的装置，并生产大直径、缺陷密度为104 /cm2级的GaN籽晶。

Na助熔剂法是日本东北大学山根久典教授于1996年发明的，通过将镓（Ga）和氮（N）溶解到液态钠（Na）中来生长高质量GaN单晶的技术。由于它是液相生长，因此适合生产高质量的晶体。

另一方面，多点籽晶法是一种将许多小型GaN籽晶预先分布在大型蓝宝石衬底上，并在晶体生长过程中使生长的晶体熔合在一起的技术。利用该技术可以生产大直径单晶。结合两种方法的特点，将有可能生产出高质量、大直径的GaN籽晶。

在蓝宝石基板上制造GaN晶体的技术是应用多点晶种法的技术基础，是丰田合成作为光器件技术而成熟的技术。因此，可以在量产水平上提高制造技术。

此外，“Na助熔剂法和多点籽晶法的组合非常兼容，进一步增加直径没有特别的障碍。目前，我们正在使用8英寸的晶种生产6英寸的晶种。“我们正在继续开发该技术，未来我们还将考虑用 12 英寸蓝宝石衬底生产 10 英寸 GaN 籽晶。”Toyoda Gosei 说道。

据透露，上述两种器件均可耐650V高压、20A电流，且计划未来采用由“OVPE（Oxide Vapor Phase Epitaxy，氧化物气相外延法）法”制成的GaN晶圆。该“OVPE法”由日本大阪大学、松下HD、丰田合成合作研发而成，利用该方法制成的GaN器件的ON电阻低于SiC一个数量级。

图2：采用OVPE法制造的4英寸GaN基板

对于用于电动汽车逆变器等的垂直GaN器件，如果可以降低衬底的电阻，则可以降低器件的导通电阻，从而提高功率效率。通过在晶体中添加硅（Si）或氧（O）等元素可以降低GaN的电阻，但通过OVPE方法，可以生长添加更多的GaN晶体。可以形成电阻值低至10^-4 Ωcm 、超过SiC（10^-3 Ωcm）、位错密度低至10 4 /cm²的GaN晶体（图3）。

图3：使用OVPE方法制造的超低电阻GaN衬底可以制造比SiC导通电阻更低的器件

Panasonic HD 表示：“我们已经确认，可以使用 OVPE 方法在 2 英寸高质量 GaN 籽晶上制造超低电阻衬底。我们正在向丰田合成和我们的公司提供衬底。”作为环境部项目的一部分，我们正在开发垂直 GaN 器件。此外，在保持质量的同时，与传统方法相比，我们使用 OVPE 方法将晶体生长速率提高了一倍。”

他们还已经证实，可以找到在使用OVPE法的晶体生长过程中，通过组合Na熔剂法和点晶种法制造的籽晶中残留的夹杂物不破裂的条件。然而，“在实际量产中，有可能要求夹杂物为零。”我们将考虑解决这些问题的方法，我们还将在结合氨热法制造的基板上使用OVPE。“我们还在试验晶体生长技术，”Panasonic HD 说道。

日本名古屋大学有效利用上述试作品，并综合考虑各试作品的静态特性、动态特性，目前正在研发一款输出功率为50kW的逆变器，该逆变器具有线路合理、工作条件和结构规格均出色的特点。其目标是在2025年应用于EV。未来，名古屋大学还将进一步提升输出功率，同时，也在通过调整器件本身的结构，以研发出可耐1200V高压的元件。

据了解，由松下HD研发的p-GaN栅（Gate）结构的垂直型JFET特点如下，通过将栅（Gate）周边调整为p-GaN/AlGaN/GaN，使常关闭（Normally-off）和低ON阻值成为了可能（下图4）。电流流经路径的一部分会形成与HEMT通道（Chanel）类似的二维电子气（2D EG）。因此，易于降低ON阻值，更适用于高速工作。通过将此类垂直型JFET应用于高频开关电源线路、电机驱动线路，不仅有利于提升功率，有利于实现电路中零部件的小型化（如线圈等）。

图 4：Panasonic HD 开发的具有 p-GaN 栅极结构的垂直JFET

图5：丰田合成开发的垂直沟槽MOSFET

此外，松下HD 还利用栅部分的p-GaN来减轻电流阻挡层端部的电场，以降低电流的泄露。此外，10A试作品的实际验证成果如下，阈值电压为1.5V、RonA= 1.7mΩcm²、击穿耐压为600V以上。

由于GaN器件不会像Si、SiC一样可通过热氧化形成高质量的半导体和绝缘层界面，因此很难形成MOSFET结构，仅从这一点就阻碍了GaN器件的生产制程。但是，松下HD研发的GaN为JFET结构，不需要形成氧化膜。

如今，用于PC方向超小型AC适配器等设备的横向型HEMT结构的GaN功率器件也由同样的工艺制成，因此，可在现有的GaN器件的工厂内生产。此外，不同于栅极由电压驱动的MOSFET，JFET由电流驱动。虽然驱动IC等周边电路的配置不同于Si、SiC，但就这一点而言，有利于横向型器件的技术积累。（松下HD）

为尽快实现实际应用，松下HD还评价了其研发的器件的可靠性和热阻。为进一步改善此次试做的器件，松下HD还进行了短路耐受测试、连续开关测试，并找到了一些课题。利用OVPE法形成的GaN层虽然可以降低电阻、减少发热，但也存在热阻较高，不易散热的问题。为了发挥OVPE法应用的优势，需要考虑更改器件的设计、或针对封装（Package）开发出新的散热手段，以避免对器件的工作造成不良影响。

松下HD还在研发可耐1200V以上高压的垂直型GaN器件，并讨论了可降低碳（C，此处为随机进入漂移（Drift）层，并补充施体（Donor）的碳）浓度的结晶生长条件，同时还发现了可将碳浓度控制在5×10¹⁵/cm³以下的漂移（Drift）层的生长条件，以促进GaN器件的制作。为了今后稳定生产高耐压垂直型GaN器件，还需要研发出可进一步降低碳浓度的结晶生长技术。

丰田合成研发的沟槽（Trench）MOSFET基本上采用了与Si基、SiC基垂直型沟槽MOSFET同样的结构（下图4）。丰田合成的工艺如下，在GaN晶圆上同时外延生长出漂移层（n-GaN层）、Body层（pGaN层）、源接触层（Source Contact，n+GaN层）。丰田合成的工艺不使用离子注入来制作pGaN层，因此制程相对简单。

随后，用干蚀刻加工了接触区域的凹槽（Recess）、栅极沟槽（Gate Trench）。丰田合成特意采用了原子层沉积法，以使形成栅极沟槽的栅极绝缘膜的厚度、性质更均一。其MOSFET特性如下，一颗芯片排列有数十万个六角形的MOSFET单元。当需要对应较大的电流时，可通过增加单元数量来满足。

图6：丰田合成研发的垂直型沟槽MOSFET。

MOSFET的特点在于它比JFET更容易实现常关动作（Normally-off），这对确保信赖性十分重要。此外，MOSFET的另一个优势是，可基于更微缩化的技术实现更高的性能。另外，MOSFET需要满足以下应用要求，如在某些应用中（如汽车等），需要满足与传统器件的兼容性，同时采用传统的器件的结构、或采用类似于现有技术的线路布局，而不是单纯的提升性能。

如上文所述，丰田合成已经制成了可评价650V、20A基本性能的测试样品。“即使不使用基于OPVE法制成的超低电阻GaN晶圆，也可获得性能不低于SiC的垂直型GaN MOSFET。未来，可基于OPVE法进一步提升性能。（丰田合成）”日本环境省的项目中提到，在2025年实现50Kw级别的逆变器，且计划将650V耐压器件的额定电流提升至60A。如果今后需要将输出功率提升至100Kw，则需要考虑研发1200V耐压的器件。

虽然研发成果“喜人”，但量产之路似乎还比较漫长。据丰田合成表示，晶圆的平整度(SFQR：Site Front least sQuare Range）与工艺的良率存在相关性。丰田合成选择了平整度较好的晶圆，不仅实现了器件本身的大尺寸化、还使器件可满足更大的电流，据悉，丰田合成试做了一款可耐650V高压、20A电流的垂直型沟槽式MOSFET。丰田合成的此次研发项目优势明显，即及时将验证结果反馈到晶圆的研发中，提升了从晶圆到芯片的研发速度。

此外，日本名古屋大学在对上述样品进行测试后发现了以下问题，在开关操作期间，ON电阻急剧增大。丰田合成调查后发现，pGaN中镁元素（Mg）的浓度与名古屋大学指出的问题有一定关联性，并且，上述问题在高电流负载条件下尤其明显。由于需要保持常关动作（Normally-off），因此不能大幅度调整镁元素（Mg）的浓度。未来丰田合成将研发其他解决方案。

在实现1200V以上耐压的研发工作中，松下HD的JFET面临着同样的问题，即难以控制漂移层中杂质的浓度。

一方面，有不少企业在研发可与SiC器件匹敌的垂直型GaN器件，同时也有不少企业在研发能够使横向型GaN FET在更高电压条件下工作的技术。据悉，丰田合成在研发一种名为“极化超结合结构（Polarization Super Junction，PSJ）”的技术，该技术基于HEMT结构，在通道区域形成GaN/AlGaN/GaN的异质链接。据悉，利用PSJ技术，有望获得耐一万伏特高压的器件，而通常是通过SiC MOSFET、Si IGBT来实现耐超高电压的。

与HEMT结构相比，PSJ结构的GaN FET的开关频率较低，但仍可支持数MHz的工作，耐压水平不仅超过SiC器件，开关频率也远高于SiC MOSFET（上限数为数百kHz）、Si IGBT（数十kHz）。如果使用比GaN自支撑晶圆更经济、绝缘性更出色的蓝宝石晶圆（GaN on Sapphire）的话，横向型器件的上市时间有望早于垂直型GaN。

当然，如果未来研发的用于垂直型GaN的低阻值、高质量GaN自支撑晶圆的技术能够被应用于绝缘性晶圆，那么具有高耐压、高性能的“GaN on GaN”PSJ器件的市场需求可期。丰田合成指出：“随着PSJ结构的外延层（epi）、工艺技术的进步，GaN on Sapphire的性能、信赖性也会远高于最初的设想。在稳步推进GaN自支撑晶圆、垂直型GaN的研发的同时，我们期望验证基于GaN on Sapphire的PSJ器件的特性和实用性，并评估尽早进入GaN功率半导体市场的可能性。”

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