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。

为什么这一成果意义重大？

• N 极性 GaN 具备更好的可扩展性、更低的接触电阻，以及更优异的沟道电势控制能力。
• 研究团队使用 AIXTRON G5+ C MOCVD 反应器，在大尺寸晶圆上实现了高质量外延生长，这是产业化应用的核心前提条件。
• 通过引入非原位（ex-situ）SiN 钝化层，器件的电流塌陷（current collapse）从 97% 大幅降低至 7%，同时显著提升了电子迁移率。

已实现的射频性能指标

• 截止频率 fT：最高 9 GHz
• 最大振荡频率 fmax：最高 26 GHz

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。

1. 欧洲模式：产业链的“物理嵌入”与“工具跃迁”

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。

2. 中国模式：国家级“中试线”的平台化基建

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”。