GaN 技术取得重大里程碑！

德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University ）与 爱思强（AIXTRON SE）成功在

200 mm 蓝宝石衬底

上展示了

N 极性（N-polar）III-氮化物 HFET（高电子迁移率晶体管）

，标志着

高频 GaN 器件在可扩展、低成本制造道路上迈出了关键一步

。

该研究在

200 mm 直径蓝宝石衬底

上，通过

金属有机化学气相沉积（MOCVD）

生长

氮极性（nitrogen-polar, N-polar）III-族氮化物外延层

，并成功制备了

异质结构场效应晶体管（HFET）

［Liubou Padzialioshkina 等，Applied Physics Letters，第 127 卷，173302 页，2025 年］（阅读论文请点击文末“阅读原文“）。

相较于金属极性（metal-polar）材料上的器件，

N 极性 HFET

被认为在性能与器件尺寸可缩放性方面具有优势。与分子束外延（MBE）相比，

MOCVD 是目前工业界更为偏好的 III-族氮化物外延生长方法

，更适合低成本、大规模制造。此前有关 N 极性外延生长的报道，其衬底尺寸大多限制在

100 mm 及以下

。

在

Ga 极性（Ga-polar）晶体取向

下，

氮化镓（GaN）

更易获得高质量外延，并具有更优异的化学稳定性。尽管如此，RWTH/AIXTRON 团队指出：“

近年来的研究重心逐渐转向 N 极性 GaN 生长，因为这种倒置晶体取向的 HFET 在性能与可扩展性方面有望进一步优于 Ga 极性器件。

”

在

N 极性倒置结构

中，

铝镓氮（AlGaN）势垒层位于 GaN 沟道层下方

，导电的

二维电子气（2DEG）

位于势垒之上，从而增强载流子束缚，并抑制电流向缓冲层泄漏。源/漏

欧姆接触

可直接在

窄带隙 GaN

上形成，而无需通过 AlGaN 层，从而降低接触电阻。此外，由于沟道层而非势垒层位于顶部，

栅极可更靠近 2DEG 沟道

，改善器件的静电控制能力。已有研究报道，

N 极性 HFET 的截止频率可高达 132 GHz

。

研究人员使用

AIXTRON G5+C 5×200 mm 行星式 MOCVD 反应器

，在

200 mm 直径蓝宝石衬底

上进行 N 极性 III-族氮化物外延生长，衬底沿

m 面方向偏切 2°

（见图 1），厚度为

1.3 mm

。不同晶圆上的

GaN 沟道层厚度

分别为

15 nm、25 nm 和 35 nm

。

图 1

：（a）N 极性 HFET 的简化结构示意图；（b）本研究所采用的 N 极性 MOCVD 外延层结构。

缓冲层采用

碳（C）掺杂

，以补偿背景杂质（如

硅 Si、氧 O

）。其中，

氧的引入

是 N 极性 MOCVD 生长中的一项突出问题。AlGaN 势垒层生长在

非故意掺杂（uid）GaN 层

之上，用于将缓冲层中的 C 受主与器件有源区隔离。该

赝共格（完全应变）势垒层

的

铝组分为 32%

。

外延结构顶部采用

原位（in-situ）氮化硅（SiN）封装层

。研究人员指出：“未采用原位 SiN 的晶圆表面无法完全并合，可能源于冷却过程中 H₂ 对 GaN 的刻蚀作用。原位 SiN 钝化可确保晶圆表面形貌平整，因此被应用于所有后续加工样品。”

器件采用

双指 HFET 结构

（见图 2）。多数器件还引入了

非原位（ex-situ）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）SiN 钝化层

。图形化工艺使用

光刻技术

。

图 2

：（a）样品概览；（b）器件制程流程图。

研究发现，

非原位钝化

对于获得较高沟道迁移率至关重要：在

P-25 与 P-35 样品

中，迁移率约为

1000 cm²/V·s

；而在未钝化的

UP-25 样品

中，迁移率仅

300 cm²/V·s

，下降约

3 倍

。

研究人员进一步报告：“

通过霍尔测试提取的片电阻平均值分别为：P-15 为 5000 Ω/□，P-25 为 550 Ω/□，P-35 为 500 Ω/□，UP-25 为 2500 Ω/□。

”

源/漏欧姆接触采用

Al/Ti/Ni/Au（金属铝/钛/镍/金）

金属体系，并在相对较低的

550 °C

进行退火。根据团队此前研究，该温度可在 N 极性结构中获得最低接触电阻。为避免栅极金属发生非预期退火，

非原位钝化在栅极形成之前完成

。器件隔离采用

氮离子注入

。

器件

栅宽为 2×50 μm

，

栅长为 1 μm

，栅极距源极

1.5 μm

、距漏极

2.5 μm

。研究人员指出：“

由于表面粗糙度较高，光刻过程中光刻胶附着与均匀曝光仍具有挑战性，这可能导致不同器件之间的栅长及间距偏离名义设计值。

”

在

25 nm 沟道厚度

样品中，非原位钝化使

平均峰值跨导（gm）

从

100 mS/mm

提升至

130 mS/mm

（见图 3），其中性能最佳的

P-25 器件达到 150 mS/mm

。研究人员认为，这主要源于

P-25 材料显著更低的片电阻

（550 Ω/□ 对比 2500 Ω/□）。

图 3

：UP-25 与 P-25 HFET 在

VDS = 10 V

下的代表性线性转移特性（a）及栅二极管 I-V 特性（b）；在

VGS = 1 V

下的脉冲输出特性（c、d）；以及 P-25 HFET 的小信号测试所得

截止频率 fT

与

最大振荡频率 fmax

（e、f）。

研究人员指出：“

器件在反向偏置下的栅漏电流仍然较高，这与较低的肖特基势垒高度（SBH）相符。

”即便是性能最优的器件，其

开关电流比（on/off ratio）

也仅约

10³

。

在脉冲工作条件下，

非原位钝化

还将

电流塌陷（current collapse）

从

97% 显著降低至 7%

。研究团队总结认为：“

单纯的原位 SiN 钝化并不足够，而结合 NH₃ 等离子体处理的非原位 SiNₓ 能够有效钝化导致直流-射频色散的表面陷阱态。

”

小信号频率测试表明，

P-25 HFET

的

截止频率 fT

与

最大振荡频率 fmax

分别可达

9 GHz

与

26 GHz

。

研究人员进一步指出：“

在名义栅长 1 μm 条件下，fT×LG = 9 GHz·μm。已报道的 N 极性 HFET 通常起始于 8 GHz·μm，而最先进的短沟道器件可达 16 GHz·μm。

”

展望未来，团队表示：“

仍需进一步优化 N 极性外延质量，以提升均匀性、降低表面粗糙度，并减少漏电流。

”

结论

N 极性 GaN 正在从“科研探索阶段”迈向“产业可落地技术”。本项工作充分证明了其在

高频 GaN 器件规模化制造

中的现实可行性，是该技术路线的重要推进一步。

产业观察：跨越 “Lab to Fab” 的深渊—欧洲与中国的两种解法

当我们在谈论

“从实验室到晶圆厂”

时，全球半导体产业正在经历两种不同路径的模式进化。本次

RWTH Aachen/Aixtron

的突破与同期中国

九峰山实验室

的成果，恰好构成了这一趋势的最佳注脚。

X-FAB 的 “Lab-in-Fab”：造路者（机制创新）

这是一种

组织与物理空间的重构

。X-FAB 通过将 Fraunhofer ENAS 的研发力量直接嵌入量产车间，打破了“研发环境”与“量产环境”的物理隔阂。它的核心在于

解决痛点

——通过消除设备兼容与工艺规范的断层，修筑一条让各类微系统创新（MEMS、封装等）能顺畅流入产线的“高速公路”。

Aixtron 的 “Lab to Fab”：赛车手（技术跨越）

本次 Aachen 与 Aixtron 的成果，代表了

特定技术的成熟度跨越

。它证明了

N 极性 GaN

这一理论性能优越但在大尺寸生长上极具挑战的技术，已经能够利用工业级 MOCVD 设备在

200mm 蓝宝石衬底

上实现高良率制造。

与欧洲企业主导的模式不同，中国正在通过建设公共

“中试线”（Pilot Line）

，在科研机构与量产代工厂之间架起实体桥梁。

九峰山实验室：另辟蹊径的硅基路线

2025年三月份，中国的九峰山实验室发布了

全球首片 8 英寸硅基 N 极性 GaN（GaNOI）

。

九峰山实验室8英寸硅基氮极性氮化镓衬底,图片来源：九峰山实验室官微

技术路线差异

与 Aachen 采用的“蓝宝石外延”不同，九峰山选择了

“硅基+键合”

（Bonding）的技术路线。其优势在于利用

硅衬底

的低成本与成熟度，直接兼容主流 8 英寸半导体产线，且易于与 CMOS 工艺深度集成。

工程化意义

其强调的“键合界面良率超 99%”和“兼容 8 英寸产线”，直指产业化最核心的成本与良率痛点。

深圳平湖实验室：国家队的“工程化熟化”

作为国家第三代半导体技术创新中心（深圳），平湖实验室则通过建设

8 英寸开放共享中试平台

，解决行业共性的“卡脖子”工艺（如高质量外延、超薄晶圆加工）。它承担了将高校/科研院所的“原理验证”转化为“工程化技术”的角色，填平技术转移的“死亡之谷”。

中欧都在试图跨越同一个障碍：如何把实验室里不确定的科研突破，变成工厂里

可复制、可验证、可转移

的量产能力。但在具体路径上，双方有着鲜明的“软硬之别”。

欧洲模式更重“机制”

他们很少直接砸钱建全新的公共产线，而是更擅长设计

协作规则

。

以 Lab-in-Fab 为例，它的精髓不在于建厂，而在于把研发团队“嵌入”到现有的量产车间里。通过合同锁定 IP 边界，用工厂的流水线纪律去约束科学家的发散思维，逼着研发去适应真实的产线节拍。Aixtron 则是用“工具”来解决问题——用工业级设备把先进工艺强行推入可制造的窗口。

这套逻辑的核心是：在不增加社会化重资产的前提下，用规则和工具来加速工程闭环。

中国模式更重“基建”

我们选择了一条更“硬”的路：

把工程化能力变成一种公共基础设施

。

通过建设中试线和开放平台，把分散的资源聚拢，打造一个专门用来“试错”的中间环节。平台把最难啃的骨头（工艺窗口、可靠性验证）先啃下来，封装成标准化的“工艺包”，再交给下游企业。无论是九峰山的“硅基键合”，还是平湖的集中攻关，本质都是

先把路修通、把风险压低，让后面的企业敢于上车

。

所以，N 极性 GaN 的“蓝宝石 vs 硅基”之争，最后的赢家不取决于谁的参数哪怕高出一个点，而取决于谁能在 8 英寸平台上最先跑通这三件“硬通货”：

良率窗口

工艺区间是否足够宽阔？能否在工业级产线上稳定复现？

可靠性闭环

从失效机理分析到寿命模型建立，能否形成让产业界信服的完整数据链？

制程可转移性

整套工艺能否被封装成标准的 PDK（工艺设计套件），让下一家晶圆厂无缝接管？

这或许才是 “Lab to Fab” 真正的终局考验。

文章来源：三代半食堂

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