日本NTT公司（TYO：9432）对外宣布，其首次使用高质量AlN单晶衬底实现了全球首款耐压1700V、耐温高达500℃的新一代晶体管，即使在500℃高温下，其漏电电流也能保持在极低的10-8A/mm，漏极电流开/关比高达106。这一成果将有效促进新一代超低损耗功率器件和高温电子器件技术的开发，并表示如果能采用在半导体中最大击穿电场的AlN材料制作功率器件，有望将电力损耗降至Si的5％以下、SiC的35％以下和GaN的50％以下。
背 景
用于电能转换的半导体功率器件目前已广泛应用于家用电子设备、个人电脑和智能手机，以及数据库服务器和新能源汽车。近年来，功率器件正在向高压、高功率的应用领域延伸，如光伏发电和高铁。晶体管是半导体功率器件的重要组成部分，广泛应用于家用电子和新能源汽车等领域的电能转换，其效率的提升将有助于降低能耗。在碳中和的大背景下，急需寻求进一步减少器件损耗的技术解决方案。Si是半导体功率器件的常用材料。而通过使用具有大击穿场强的宽禁带半导体，则可以减少损耗并增加击穿电压。因此，SiC、GaN等宽禁带半导体材料正被开发和应用于功率器件。而超宽禁带（UWBG，Ultra-wide bandgap）半导体材料具有比SiC和GaN更高的击穿场强，从而可以进一步提高功率器件的性能（如图1）。超宽禁带半导体材料包括AlN、金刚石和氧化镓（Ga2O3）等（如表1）。
图1：各种半导体材料的固有导通电阻率和介电击穿电压的性能指标
表1：各类半导体材料的带隙能量和击穿场强
超宽禁带半导体AlN具有高击穿场强的材料特性，因此是制备低损耗、高电压功率器件的最佳半导体材料之一，但一个多世纪以来，AlN一直被作为绝缘材料，2002年，NTT在世界上首次采用异质衬底成功制备出导电的AlN材料，从而开辟了AlN在半导体器件领域的新应用。最近，NTT通过MOCVD技术成功的在AlN单晶衬底上制备了高质量的AlN，并开发了具有良好欧姆特性和肖特基特性的电极制作技术，从而推出了全球首款AlN基晶体管，这一成果将有效促进新一代超低损耗功率器件和高温电子器件技术的开发。超宽禁带半导体材料中，AlN的优势在于可以在大尺寸晶圆上制备器件，并且可以通过与其他氮化物半导体（如GaN）形成异质结来获得各种器件结构，然而迄今为止此类功率器件的开发鲜有报道，也没有关于其特性的相关报告。
成 果
NTT通过MOCVD在AlN单晶基衬底上首次成功的制备出了高质量、导电型AlN，并实现了具有良好特性的晶体管制备。AlN晶体管的电流-电压特性显示出良好的欧姆特性（见图2、3）和极小的漏电流，其击穿电压也高达1.7kV。
图2：AlN晶体管示意图
图3：（a）AlN晶体管的漏极电流与漏极电压特性；
（b）AlN晶体管的关态击穿特性
NTT还证实了AlN晶体管可以在高温下稳定工作（图4）。与传统半导体材料相比，AlN晶体管在高温下表现出更优的性能。随着环境温度从室温升高到500°C，漏电流增加了约100倍。甚至在500°C下，漏电电流也能保持在极低的10-8A/mm，从而在该温度下漏极电流开/关比高达106。
图4：从室温（RT）到500°C，AlN晶体管的漏极电流与栅极电压特性
技术要点
NTT采用如下技术创新保证了AlN基晶体管的成功制备：
首先要解决的技术难题是高质量AlN的制备技术。通过使用特殊设计的反应器开发独特的高温MOCVD技术，并采用AlN单晶衬底，能显著降低AlN晶体中的缺陷密度和杂质浓度，从而实现了世界上最高电子迁移率的高质量n型导电AlN半导体的制备。其次，是如何实现良好的欧姆接触。由于AlN与用作电极的金属材料具有较大的能量势垒，因此难以形成欧姆接触。NTT在AlN和金属电极之间使用了成分梯度的AlGaN层，以获得良好的欧姆接触（如图5）。
图5：（a）不具有成分梯度AlGaN层的金属/n型AlN接触结构：
（b）具有成分梯度AlGaN层的金属/n型AlN接触结构：
（c）具有和不具有梯度层的电流-电压特性
最后是如何在良好的整流下实现肖特基接触。半导体的晶体质量、半导体和金属电极之间的界面状态以及欧姆电极的接触电阻会对肖特基特性产生影响。如上所述，基于高质量的AlN和良好的欧姆接触，NTT在良好的整流下实现了接近理想的肖特基特性。
发展计划
在对超低损耗功率器件和高温电子器件的探索中，AlN材料的性能仍远没有完全呈现，NTT将进一步提高AlN基功率器件的性能，并对器件在高温下的应用展开研究。
原文请参考NTT官网