原文标题
Georgia Tech’s New Aluminum Nitride-based Semiconductor is Poised to Transform the Industry
项目资助方
美国海军研究办公室 (the Office of Naval Research); 美国空军科学研究办公室(the Air Force Office of Scientific Research)
AlN基半导体器件
佐治亚理工学院Alan Doolittle教授团队正在进行一项曾被认为是不可能的研究：将电绝缘体转化为超宽带隙半导体，这一研究成果为高功率电力电子器件、光电子器件及更多领域带来了突破性应用前景。
过去80多年来，氮化铝（AlN）一直被认为只是一种电绝缘体。由于其高电绝缘和导热性，AlN已经广泛应用于电子行业，以迅速散热并保持各种电子器件高效能。佐治亚理工学院的研究人员在Alan Doolittle教授的带领下发现了AlN的更多潜力，他们令人鼓舞的研究结果表明这种材料将重塑半导体行业。通过利用AlN的优异特性，超宽带隙（UWBG）半导体可以在前所未有的高功率和高温度水平下使用。Alan Doolittle教授表示：“很少见到如此令人鼓舞的初步成果，更确切的说，AlN具有其它现有宽带隙半导体五倍以上的耐压能力，这确实是一个新半导体领域的诞生。”。Alan Doolittle教授是佐治亚理工学院电气和计算机工程（ECE）学院的Joseph M. Pettit杰出教授。
对于电力电子器件，需要两种半导电材料：一种带有正电荷（p型）掺杂，另一种带有负电荷（n型）掺杂。Alan Doolittle教授研究小组将p型AlN的电导率较此前最好结果提高了3000万倍，而n型AlN的电导率较此前最好结果提高了6,000倍。这些研究结果相继发表在《Advanced Materials》和《Journal of Applied Physics》上，并在美国顶级高性能电子材料会议“2022 Workshop on Compound Semiconductor Materials & Devices”上获得了最有价值贡献奖。
超宽带隙等于超宽应用领域
佐治亚理工学院的AlN基半导体研究成果代表了一个新兴的跨学科研究领域，涵盖了材料、物理学和半导体器件，其在下一代苛刻环境应用的高功率电力电子器件、光电子器件以及量子器件等领域具有广阔应用前景。
半导体既能为电导体也能为电绝缘体，这意味着它们是所有电气设备运行所必需的。科学家通过使用纯物质（最常见的是硅）并加入特定掺杂元素来制备具有所需电学、热学和光学性能的晶体从而制造半导体材料。带隙是半导体最重要特性之一，因为它代表了电导所需的最小能量，也是确定器件击穿电压的最大因素，同时代表从半导体发出的光的能量/波长。超宽带隙半导体（UWBG）可以在高温，高频和高压下工作，这意味着在高压电路中需要更少的半导体器件，从而提高性能和效率，降低成本。Doolittle教授基于目前已知最高带隙的AlN半导体实现了电力电子器件所需的p和n型电导。Doolittle教授说：“基于AlN的新型半导体器件具有承受难以置信的极高电压的能力（击穿电压是SiC/GaN的5倍，Ga2O3/金刚石的1.5倍），包括大规模公用电网，这是其他半导体无法做到的。”由于能够承受高电压和高频率，基于AlN的半导体也可以用于汽车、工业和消费电力电子器件。该突破性技术还可以使电网更有效地控制电网传输容量及传输地点（即智能电网），随着旧公用电网系统与可再生能源的整合与集成，这一需求将不断增长。
Doolittle教授团队掺杂温度比通常用于制造半导体材料的温度低得多。低温工艺允许在掺杂过程中更精确地控制材料的表面化学性质，这本身就是颠覆性的创新。Doolittle教授说：“这种工艺解决方案让很多人大吃一惊。科学家们通常认为在这种低温下无法生长出高质量的材料，但我们已经证明了其可行性，并且具有广泛的适用性。”
AlN优异的光学特性
与白炽灯泡不同，在白炽灯泡中，灯丝被加热以发光，发光二极管（LED）在电流流过特定半导体器件结构时发光。20世纪90年代初，Isamu Akasaki、Hiroshi Amano和Shuji Nakamura使用宽带隙半导体材料氮化镓（GaN）制造了第一个LED蓝光，并因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。创造高能蓝色LED对科学家提出了几十年的挑战，因为它是创造白光和全彩LED显示器需最终克服的技术障碍，现在这些技术已经彻底改变了照明行业，全面部署将节省近85%的能源消耗。
与GaN一样，AlN的超宽带隙意味着它发出的光具有巨大的能量，这导致产生超出眼睛视觉能力的高能深紫外（DUV）光所需的短波长。由于AlN的带隙甚至比GaN大的多，它产生的DUV光波长可低至203纳米（与GaN的~365纳米相比），几乎是GaN光的两倍。
Doolittle教授说：“我们对这种材料的光学特性感到非常兴奋。研究人员已经实现将LED的波长控制在270纳米以下，这开辟了巨大的应用范围。”
基于AlN的DUV-LED一个潜在应用是杀菌光消毒，这是目前学界和工业界关注的焦点。与目前的紫外线（UV）汞灯不同（受到功率和效率的限制），DUV-LED使用更高能量的电磁辐射，这种辐射被人体皮肤的角质层（死皮细胞层）吸收，而不是被活组织吸收。Doolittle教授说：“这种光为我们提供了一种杀死病毒和细菌且对人类皮肤和眼睛几乎没有伤害或要小得多的途径。”。
到了工程师的时间
随着Doolittle教授团队令人鼓舞的研究表明AlN有潜力成为一种革命性的半导体材料，他们现在转向器件原型设计和优化。虽然这项新技术是一项飞跃，在很大程度上解决了使用AlN作为半导体最困难的科学问题，但工程挑战仍然存在。
由于此前从未制备过如此超宽带隙的半导体，因此与材料形成良好电接触（用于将电流传输到器件）的解决方案至关重要。Doolittle教授表示，形成良好电接触将需要某种金属合金，因为大部分金属都不太适合做AlN的接触。早期的原型器件已经显示出对电流的一些电阻，如果AlN要达到其潜在的高效率，就必须减少这些接触电阻。否则，需要设计更厚的工程化器件，以实现公用电网所需的超高电压（如几万伏特）。“我们对如何推动这一进程已经有一些想法，并将其中大多数问题视为只需要时间和资源而不是基本科学限制的工程挑战。”Doolittle教授说。
原文源于【Georgia Tech】
（以上文章由奥趋光电翻译，如有涉及版权等问题，请联系我们以便处理）