行业 | SiC/GaN的强劲对手 — 新一代AlN基晶体管

原文标题
The New, New Transistor

--- In power electronics, aluminum nitride could overtake two powerhouses that only recently bested silicon

原文链接

https://spectrum.ieee.org/aluminum-nitride, IEEE Spectrum 2024年第三期

原文作者
Glenn Zorpette, editorial director (编辑部主任) of IEEE Spectrum

日本名古屋大学制造的AlN基二极管展示了其在半导体领域的巨大应用前景

在过去的十年中，半导体领域最大的新闻之一就是传统硅的意外被超越——在电力电子领域，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）已经超越了硅，占据了数十亿美元的市场份额。随着这些具有优越性能的新秀逐渐占据主要应用领域，人们自然会提出一个问题：下一代新的功率半导体会是什么——哪一种半导体将凭借其卓越的性能从SiC和GaN手中夺取主要市场份额？

人们的关注集中在三个候选者身上：氧化镓、金刚石和氮化铝（AlN）。它们都具有显著的优点，但同时也存在一些根本性的弱点，这些弱点迄今为止阻碍了它们的商业化成功。然而，由于最近的一些突破，包括去年12月在旧金山举行的最近一次IEEE IEDM（国际电子器件会议）上报告的名古屋大学一项重大技术进步，AlN的前景已经大为改观。

氮化铝如何在（甚至领先于？）SiC和GaN竞争中脱颖而出？

IEEE IEDM论文描述了一种基于AlN合金的二极管的制备方法，该二极管能够承受高达每厘米7.3兆伏的电场——大约是SiC或GaN理论上所能承受的两倍。值得注意的是，该器件在导电时具有非常低的电阻。“这是一个惊人的结果，”IEEE高级会员、佐治亚理工学院电气与计算机工程教授W. Alan Doolittle说，“特别是这个器件的导通电阻，简直好得离谱。”名古屋论文有七位合著者，其中包括IEEE会员Hiroshi Amano，他在2014年因发明蓝色LED中的作用而获得诺贝尔奖。

“This is a new concept in semiconductor devices.”

“这是半导体器件的一个新概念。”——康奈尔大学Debdeep Jena教授

氮化铝长期以来一直吸引着半导体研究人员的关注。功率半导体最重要的特性之一是其带隙。带隙是指半导体晶格中的电子从价带跃迁到导带所需的能量，以电子伏特为单位。在宽带隙半导体中，如GaN或SiC，原子间的键合很强。因此，在键断裂并摧毁晶体管之前，该材料能够承受非常强的电场。但与AlN相比，它们都黯然失色。AlN的带隙为6.20电子伏特；对于GaN，它是3.40；而对于最常见的SiC类型，则是3.26。

氮化铝（AlN）长期面临的一个问题是掺杂，即插入杂质元素使半导体带有过量的电荷，从而使其能够传导电流。近年来，AlN化学掺杂的策略近几年才开始出现，尚未完全发展成熟，其有效性在研究人员之间是一个有些争议的话题。在掺杂过程中，过量的电荷可以是电子，在这种情况下半导体被称为“n型”，也可以是称为空穴的电子缺失，在这种情况下它是“p型”。几乎所有商业上成功的器件都是由这样的掺杂半导体夹层组成的。

事实证明，杂质掺杂并不是掺杂半导体的唯一方法。一些基于周期表中第III族和第V族元素的化合物半导体——例如化合物氮化镓——具有一种不寻常且显著的特性。在这两种半导体相遇的边界处，即使没有化学掺杂，它们也可以自发地产生一个二维的、极高迁移率的电荷载流子池，称为二维电子气（2DEG）。它源于晶体内部的一个电场，这个电场来自几个属性。首先，这些III-V族半导体的晶体具有异常极性：在晶体的单位晶胞内，电子云和带正电的原子核足够偏移，使得每个晶胞都有明确的负区和正区（偶极子）。此外，仅通过拉伸这些半导体的晶格，就可以在晶格中产生电荷，这种现象称为压电效应。

重大进展背后的故事

在21世纪初，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员利用这些特性开发了一种称为分布式极化掺杂的技术，该技术使他们能够在没有杂质掺杂剂的情况下实现氮化镓的n型掺杂。该团队包括IEEE会士Umesh Mishra（现为加州大学圣巴巴拉分校工程学院长）及其研究生Debdeep Jena和Huili（Grace）Xing，他们现在都是康奈尔大学教授。Jena和Xing后来都成为了IEEE会士，他们在2010年展示了p型分布式极化掺杂，然后在2018年在康奈尔大学展示了无掺杂剂的2D空穴气（2DHG）。

名古屋大学测试最先进的氮化铝基二极管

名古屋大学小组在这些先前的成就基础上，通过在氮化铝中实施无掺杂剂分布的极化掺杂技术，或者更准确地说，是在由AlN和GaN混合组成的铝镓氮（AlGaN）合金中实施该技术。像任何二极管一样，他们的器件有一个p型掺杂区域与一个n型掺杂区域相连接，中间有一个叫做结的边界。对于这两个区域，都是通过分布式极化掺杂来实现的。他们通过在掺杂区域中建立AlGaN不同组分的梯度，实现了不同的极化，即n型和p型。掺杂是n型还是p型，仅取决于梯度的方向。

“与AlGaN的均匀组成不同，Al的组成在空间上以线性方式变化，”Jena说。p型掺杂层在与阳极接触的一侧开始时为纯GaN。向与n型掺杂层的结移动时，AlGaN合金中Al的比例增加，直到在结处达到95%的Al。继续朝相同方向移动，穿过n型掺杂区域，AlN的比例随着距离结的距离增加而减少，从95%开始，在该层与纯AlN衬底接触的地方降至70%。

“The ultimate goal is a commercially available aluminum nitride power transistor that is greatly superior to the existing options, and the Nagoya work has left little doubt that’s eventually going to happen.”

“最终目标是开发出一种商业上可获得的、大大优于现有选项的氮化铝功率晶体管，而名古屋大学的工作已经几乎没有悬念地表明这最终将会实现。”

“这是半导体器件的一个新概念，”Jena教授谈到名古屋大学的器件时说。他补充说，下一步是在结处制造一个纯AlN层的二极管，而不是95%的AlN。根据他的计算，一个仅2 μm的AlN层就足以阻挡3千伏的电压。“这正是不久的将来会发生的事情，”他说。

在佐治亚理工学院，Doolittle教授也认为，在未来的器件中通过整合更高纯度的AlN，仍有巨大的改进空间。例如，名古屋二极管的击穿电场为7.3 MV/cm，令人印象深刻，但AlN器件的理论最大值约为15。热导率也可以通过增加更多的AlN得到极大的提高。对于一个功率器件来说，导热能力至关重要，AlGaN合金的热导率为50 W/(m·K)。另一方面，纯氮化铝的热导率相当可观，为320 W/(m·K)，介于GaN的250 W/(m·K)和SiC的490 W/(m·K)之间。

根据Jena教授和Doolittle教授的观点，最终目标是一种商业上可获得的、大大优于现有选项的AlN基功率晶体管，而名古屋的工作已经几乎没有悬念地表明这最终将会实现。“就目前进展来看，这只是一个工程学问题，”Doolittle说。他们都注意到，名古屋的二极管是一种垂直器件，这是功率半导体的首选方向。在一个垂直器件中，电流直接从衬底向上流向器件顶部的接触点——这种配置允许最大电流流动。

近年来，至少有六款基于AlN的晶体管已经制备出来，但这些都不是垂直器件，也没有一款的特性能与市面上可买到的GaN或SiC晶体管竞争，它们也依赖于关键组件中的AlGaN。

在发给IEEE Spectrum的一封电子邮件中，名古屋论文的合著者、IEEE会员Takeru Kumabe写道：“我们认为，利用分布式极化掺杂技术，有可能制备出具有商业竞争力的功率晶体管……我们的目标是实现基于AlN的垂直异质结双极晶体管，它由两个p-n结组成，展现出良好的功率和面积效率，这是我们的梦想。”

Kumabe补充说，为了实现这个梦想，团队将专注于深入理解电荷迁移率，“载流子寿命、临界电场和深能级缺陷，还应开发能够生产高质量器件层并在加工过程中引入较少损伤的晶体生长和器件制备技术。我们希望在三到五年内解决这些问题，并在2030年前后实现AlN基功率器件的商业化应用，”他说。

This article appears in the March 2024 print issue as “The Next Powerhouse Transistor.”
本文发表在2024年3月的印刷版上，标题为“下一代强大晶体管”

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