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過(guò)去十年，半導(dǎo)體領(lǐng)域最大的故事之一就是電力電子領(lǐng)域意外超越傳統(tǒng)硅的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）占領(lǐng)了價(jià)值數(shù)十億美元的細(xì)分市場(chǎng)。隨著主要應(yīng)用落入這些具有優(yōu)越屬性的新貴手中，一個(gè)問(wèn)題自然而然地出現(xiàn)了。
下一個(gè)新型功率半導(dǎo)體是什么——其卓越的能力能否將從 SiC 和 GaN 手中奪取主要市場(chǎng)份額？
人們的注意力集中在三種候選材料上：氧化鎵、金剛石和氮化鋁（AlN）。它們都具有顯著的特性，但也存在迄今為止阻礙商業(yè)成功的根本弱點(diǎn)。然而，現(xiàn)在，得益于最近的幾項(xiàng)突破，包括名古屋大學(xué)在去年 12 月于舊金山舉行的最新IEEE 國(guó)際電子器件會(huì)議上報(bào)告的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，AlN 的前景已大大改善。
圖1 日本名古屋大學(xué)制造的氮化鋁二極管展示了半導(dǎo)體的顯著潛力 圖片來(lái)自：NAGOYA UNIVERSITY
一、氮化鋁如何趕上SiC 和 GaN
IEDM 論文描述了基于氮化鋁合金的二極管的制造方法，該二極管能夠承受每厘米 7.3 兆伏的電場(chǎng)，這個(gè)數(shù)字大約是碳化硅或氮化鎵所能承受的電場(chǎng)的兩倍。值得注意的是，該器件在傳導(dǎo)電流時(shí)也具有非常低的電阻。
“這是一個(gè)了不起的結(jié)果，”IEEE 高級(jí)會(huì)員、佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程教授W. Alan Doolittle說(shuō)道?！疤貏e是這個(gè)東西的導(dǎo)通電阻，非常好。” 名古屋大學(xué)的論文有七位共同作者，其中包括 IEEE 會(huì)員天野浩（Hiroshi Amano），他因發(fā)明藍(lán)色 LED 而獲得 2014 年諾貝爾獎(jiǎng)。
氮化鋁長(zhǎng)期以來(lái)一直吸引著半導(dǎo)體研究人員。
功率半導(dǎo)體最重要的特性之一是其帶隙。它是半導(dǎo)體晶格中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，以電子伏特為單位，在導(dǎo)帶中電子可以在晶格中自由移動(dòng)并導(dǎo)電。在具有寬帶隙的半導(dǎo)體中，例如氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC），原子之間的鍵很強(qiáng)。因此，在鍵斷裂和晶體管被破壞之前，該材料能夠承受非常強(qiáng)的電場(chǎng)。但與 AlN 相比，它們都相形見(jiàn)絀。AlN的帶隙為6.20電子伏特；對(duì)于 GaN，該值為 3.40；對(duì)于最常見(jiàn)的 SiC 類(lèi)型，該值為 3.26。
AlN 的一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是摻雜，即插入雜質(zhì)元素，使半導(dǎo)體產(chǎn)生過(guò)量電荷，從而使其能夠承載電流。化學(xué)摻雜 AlN 的策略近年來(lái)才開(kāi)始出現(xiàn)，尚未完全成熟，其有效性在研究人員中是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題。在摻雜過(guò)程中，多余的電荷可以是電子，在這種情況下，半導(dǎo)體被稱為“ n型”，或者它們可以是缺電子，稱為空穴，在這種情況下，半導(dǎo)體是“ p型”。幾乎所有商業(yè)上成功的器件都是由這種夾在一起的摻雜半導(dǎo)體組成。
但事實(shí)證明，雜質(zhì)摻雜并不是摻雜半導(dǎo)體的唯一方法。
一些基于含有元素周期表中第 III 族（又名鈧族）和第 V 族（釩族）元素的化合物的半導(dǎo)體（例如化合物氮化鎵）具有不尋常且顯著的特性。在兩個(gè)這樣的半導(dǎo)體相遇的邊界處，即使沒(méi)有化學(xué)摻雜，它們也可以自發(fā)地產(chǎn)生一個(gè)由極高移動(dòng)性的電荷載流子組成的二維池（two-dimensional pool ），稱為二維電子氣（ 2-dimensional electron gas）。
它是由晶體內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生的，而晶體內(nèi)部電場(chǎng)具有幾個(gè)屬性：其一，這些 III-V 族半導(dǎo)體的晶體具有不同尋常的極性：在晶體的晶胞（ unit cells）內(nèi)，電子云和帶正電的原子核彼此偏移，足以為每個(gè)晶胞提供不同的負(fù)電區(qū)域和正電區(qū)域（偶極子：dipole）。此外，只需使晶格變形，就可以在這些半導(dǎo)體的晶格中產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電（piezoelectricity）。
二、大進(jìn)步背后的故事
2000 年代初期，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員利用這些特性開(kāi)發(fā)了一種稱為分布式極化摻雜（distributed polarization doping）的技術(shù)，該技術(shù)使他們能夠在沒(méi)有雜質(zhì)的情況下獲得塊狀（三維）氮化鎵的n型摻雜。
該小組包括 IEEE 院士Umesh Mishra（現(xiàn)任 UCSB 工程系主任）和他的研究生Debdeep Jena和Huili（Grace）Xing，兩人現(xiàn)在都在康奈爾大學(xué)。Jena 和 Xing 都是 IEEE 院士，隨后于 2010 年在康奈爾大學(xué)演示了p型分布式極化摻雜，然后于 2018 年在康奈爾大學(xué)演示了無(wú)摻雜劑二維空穴氣體（hole gases）。
圖2 最先進(jìn)的氮化鋁二極管正在進(jìn)行測(cè)試 圖片來(lái)自：NAGOYA UNIVERSITY
名古屋小組在這些先前成果的基礎(chǔ)上，在氮化鋁（或更準(zhǔn)確地說(shuō)，由 AlN 和 GaN 的混合物組成的鋁鎵氮化物 （AlGaN）合金）中實(shí)施無(wú)摻雜劑分布式極化摻雜技術(shù)。
與任何二極管一樣，他們的器件具有與n摻雜區(qū)域配對(duì)的p摻雜區(qū)域，其間有一個(gè)稱為結(jié)（junction）的邊界。對(duì)于這兩個(gè)區(qū)域，摻雜都是通過(guò)分布式偏振摻雜（distributed polarization doping）來(lái)完成的。他們通過(guò)在每個(gè)摻雜區(qū)域建立合金中 AlN 與 GaN 百分比的梯度，實(shí)現(xiàn)了不同的極化（ n型和p型）。摻雜是n型還是p型僅取決于梯度（gradient）的方向。
Jena 表示：“鋁成分不是均勻的 AlGaN 成分，而是以線性方式在空間上變化?！?p摻雜層從鄰近陽(yáng)極接觸一側(cè)的純氮化鎵開(kāi)始。向帶有n摻雜層的結(jié)移動(dòng)，AlGaN 合金中氮化鋁的百分比增加，直到在結(jié)處達(dá)到 95% 的 AlN。繼續(xù)沿相同方向移動(dòng)，穿過(guò)n摻雜區(qū)域，AlN 的百分比隨著距結(jié)的距離的增加而下降，從 95% 開(kāi)始，到最低點(diǎn)為 70%，其中該層與純 AlN 襯底接觸。
“這是半導(dǎo)體器件的一個(gè)新概念，”名古屋器件的 Jena 說(shuō)道。他補(bǔ)充道，下一步是制造一種在結(jié)點(diǎn)處有一層純 AlN 的二極管，而不是 95% 的 AlN。根據(jù)他的計(jì)算，一層僅兩微米厚的氮化鋁就足以阻擋 3 千伏的電壓?！斑@正是在不久的將來(lái)將會(huì)發(fā)生的事情，”他說(shuō)。
在佐治亞理工學(xué)院，Doolittle同意這種說(shuō)法，通過(guò)在未來(lái)的設(shè)備中加入更高含量的純氮化鋁，仍有巨大的改進(jìn)空間。例如，名古屋二極管的擊穿電場(chǎng)為 7.3 MV/cm，令人印象深刻，但 AlN 器件的理論最大值約為 15。更多的 AlN 也會(huì)大大提高熱導(dǎo)率。導(dǎo)熱能力對(duì)于功率器件至關(guān)重要，而 AlGaN 合金的導(dǎo)熱率一般，低于 50瓦每米開(kāi)爾文。另一方面，純氮化鋁的 320 ℃ 值非?？捎^，介于 GaN（250 ℃）和 SiC（490 ℃）之間。
Jena 和 Doolittle 表示，最終目標(biāo)是商用 AlN 功率晶體管，其性能大大優(yōu)于現(xiàn)有的選擇，而名古屋的工作毫無(wú)疑問(wèn)最終會(huì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！澳壳斑@只是工程，”Doolittle 說(shuō)。他們都指出，名古屋二極管是垂直器件，這是功率半導(dǎo)體的首選方向。在垂直器件中，電流從基板向上直接流到器件頂部的觸點(diǎn)，這種配置允許最大電流流動(dòng)。
近年來(lái)，至少有六種基于 AlN 的晶體管被展示，但這些晶體管都不是垂直器件，也沒(méi)有一個(gè)具有與商用 GaN 或 SiC 晶體管競(jìng)爭(zhēng)的特性。他們?cè)谠O(shè)備的關(guān)鍵組件中也采用了 AlGaN。
名古屋論文的合著者、IEEE 會(huì)員Takeru Kumabe在給IEEE Spectrum的電子郵件中寫(xiě)道：“我們相信利用分布式極化摻雜技術(shù)展示具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的[功率晶體管]...... 基于 AlN 的垂直異質(zhì)結(jié)雙極晶體管由兩個(gè)p - n結(jié)組成，具有良好的功率和面積效率，是我們的目標(biāo)器件，也是我們要實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。”
Kumabe 補(bǔ)充說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，團(tuán)隊(duì)將專注于更深入地了解電荷遷移率、“載流子壽命、臨界電場(chǎng)和深層缺陷”。還應(yīng)該開(kāi)發(fā)能夠生產(chǎn)高質(zhì)量器件層并在加工過(guò)程中引入更少損壞的晶體生長(zhǎng)和器件制造技術(shù)?！?/p>
“我們希望在 3~5 年內(nèi)解決這些問(wèn)題，并在 2030 年代實(shí)現(xiàn)基于 AlN 的功率器件的商業(yè)化，”他說(shuō)。
三、全球首個(gè)氮化鋁晶體管
在2022年4月，NTT Corporation宣布，其已使用高品質(zhì)氮化鋁（AlN）實(shí)現(xiàn)了晶體管的運(yùn)行。
晶體管是半導(dǎo)體功率器件的重要組成部分，用于家用電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)中的功率轉(zhuǎn)換，其效率的提高將有助于節(jié)能。用于超寬帶隙（UWBG）半導(dǎo)體的AlN具有大的擊穿電場(chǎng)，因此是用于實(shí)現(xiàn)低損耗、高壓功率器件的有前途的半導(dǎo)體材料。
據(jù)報(bào)道，NTT 已利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）成功生產(chǎn)出高質(zhì)量的 AlN，并開(kāi)發(fā)了歐姆和肖特基接觸的形成方法。這些技術(shù)使我們能夠首次展示 AlN 晶體管。此外，即使在500°C的高溫下，AlN晶體管也表現(xiàn)出良好的器件特性。這些成果將有助于實(shí)現(xiàn)超低損耗功率器件和高溫電子器件。
圖3：每種半導(dǎo)體材料的特定導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間的關(guān)系
NTT Corporation表示，用于功率轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功率器件廣泛應(yīng)用于家用電子產(chǎn)品、個(gè)人電腦和智能手機(jī)、以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和電動(dòng)汽車(chē)。近年來(lái)，功率器件的應(yīng)用已擴(kuò)展到光伏發(fā)電、鐵路等大功率運(yùn)行領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)碳中和，電力設(shè)備的損耗應(yīng)該進(jìn)一步減少。硅（Si）通常用于半導(dǎo)體功率器件。通過(guò)使用具有大擊穿電場(chǎng)的寬帶隙半導(dǎo)體，可以減少損耗并提高擊穿電壓。
因此，正在開(kāi)發(fā)用于功率器件的寬帶隙半導(dǎo)體，例如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。擊穿場(chǎng)大于SiC或GaN的UWBG半導(dǎo)體進(jìn)一步提高了功率器件的性能（圖3）。UWBG 半導(dǎo)體包括 AlN、金剛石和氧化鎵 （Ga2O3 ）（表 I）。對(duì)于AlN功率器件，理論上功率損耗預(yù)計(jì)僅為Si的5%、SiC的35%、GaN的50%。
表1：半導(dǎo)體材料的帶隙能和擊穿場(chǎng)
自一個(gè)多世紀(jì)前首次合成以來(lái)，AlN 一直被用作絕緣體。2002年，NTT在世界上首次成功制造出半導(dǎo)體AlN，從而開(kāi)辟了半導(dǎo)體器件應(yīng)用的新途徑。在UWBG半導(dǎo)體中，AlN的優(yōu)點(diǎn)在于可以在大規(guī)模晶圓上制造器件，并且可以通過(guò)與其他氮化物半導(dǎo)體（例如GaN）形成異質(zhì)結(jié)來(lái)獲得各種器件結(jié)構(gòu)。然而，關(guān)于這方面的功率器件制造的報(bào)道很少，并且其特性需要改進(jìn)。
圖4：AlN 晶體管示意圖
NTT 首次使用 MOCVD 制造的高質(zhì)量半導(dǎo)體 AlN 成功實(shí)現(xiàn)了具有良好特性的晶體管運(yùn)行。AlN晶體管的電流-電壓特性顯示出良好的歐姆特性（圖4和圖5）和極小的漏電流。擊穿電壓高達(dá)1.7kV。
圖5：(a) AlN 晶體管的漏極電流與漏極電壓特性；(b) AlN晶體管的斷態(tài)擊穿特性。
NTT在新聞稿中強(qiáng)調(diào)，他們還證實(shí)了AlN晶體管可以在高溫下穩(wěn)定工作（圖6）。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，AlN 晶體管在高溫下表現(xiàn)出更好的性能。隨著環(huán)境溫度從室溫升高到 500°C，漏極電流增加到約 100 倍。此外，即使在500℃下，漏電流也保持在10 -8 A/mm的極低水平。結(jié)果，在500℃下獲得了106的高漏極電流開(kāi)/關(guān)比。
圖6：AlN 晶體管在室溫 (RT) 至 500°C 范圍內(nèi)的漏極電流與柵極電壓特性
在NTT看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)氮化鋁，需要解決以下技術(shù)問(wèn)題：
首先要解決的技術(shù)問(wèn)題是高質(zhì)量AlN的晶體生長(zhǎng)技術(shù)。通過(guò)采用特殊設(shè)計(jì)的反應(yīng)器開(kāi)發(fā)獨(dú)特的高溫 MOCVD，降低了 AlN 中殘留雜質(zhì)和晶體缺陷的密度。由此，NTT 實(shí)現(xiàn)了具有世界最高電子遷移率的高質(zhì)量 n 型 AlN 半導(dǎo)體。
第二點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。AlN對(duì)金屬具有較大的能壘，使其難以在其上形成歐姆接觸。NTT 在 AlN 和金屬電極之間使用了成分梯度的 AlGaN 層，以獲得良好的歐姆接觸（圖 7）。
圖 7：金屬/n 型 AlN 接觸結(jié)構(gòu)（a）具有和（b）不具有成分漸變的 AlGaN 層。(c) 有和沒(méi)有梯度層的電流-電壓特性。
第三點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)肖特基接觸良好的整流。肖特基特性受半導(dǎo)體的晶體質(zhì)量、半導(dǎo)體與金屬電極之間的界面狀態(tài)以及歐姆電極的接觸電阻的影響。如上所述，由于高質(zhì)量的AlN和良好的歐姆接觸，NTT實(shí)現(xiàn)了近乎理想的肖特基特性和良好的整流性。
這些基本技術(shù)的建立導(dǎo)致了 AlN 晶體管的成功運(yùn)行。在這些廠商和研究機(jī)構(gòu)的努力下，半導(dǎo)體的未來(lái)指日可待。
