行业 | 超宽禁带半导体AlN：一个迅速崛起的III族氮化物市场

译自原文
Semiconducting AlN: A New Rapidly Emerging III-Nitride Market 

原文作者
W. Alan Doolittle, Habib Ahmad, Christopher M. Matthews, Keisuke Motoki, Sangho Lee, Emily N. Marshall, and Amanda L. Tang，School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, CS MANTECH Int’l Conference, May 2024, Tucson, Arizon

原文链接

https://csmantech.org/speaker/amanda-l-tang/ 

项目支持方

海军研究办公室（ONR）、美国空军科学研究办公室（AFOSR）

摘要

氮化铝（AlN）凭借其出色的电学、光学和热学性能，在高性能功率电子、极端环境半导体器件、射频（RF）器件和深紫外（DUV）光电子等应用领域具有极其重要的意义。相比Si、SiC、GaN和β-Ga₂O₃等其他常用半导体材料，AlN具有最高的临界电场和理论击穿电压，所以具有最高的Baliga优值和Johnson优值。AlN在商业可获得的衬底中还拥有最高的饱和速度和热导率之一。但传统上，AlN仅作为一种绝缘材料，并不能通过大量掺杂转变为半导体。近期，我们成功展示了分别采用Be和Si掺杂实现p型和n型AlN高效掺杂（载流子浓度超过10¹⁸ cm^-3），并基于此实现了AlN PN二极管的整流功能和6 V的开启电压。初步的晶体管结构表现出在V_DS=10 V时n型器件的电流密度超过350 mA/mm，以及V_DS=30 V时p型器件约为30 mA/mm的电流密度，且预计性能将迅速得到进一步提升。鉴于有现存支持AlN器件制备的基础设施（译者注：即AlN基器件制备与现有的GaN/AlGaN器件制备工艺、设备兼容），以及具有 6.1 eV 带隙且高热导率的材料可能带来的性能飞跃，预计AlN市场将迅速发展，许多器件将并行开发，从而降低整个生态系统的成本，并提供迄今为止性能最高的半导体平台。

引言

为什么要开发另一个半导体生态系统呢？如表1所述，AlN在所有拥有市售衬底的半导体中具有最大的带隙，几乎是当今两种最成功的宽禁带半导体——GaN和SiC的两倍。这种更大的带隙使得AlN在性能上有了巨大的飞跃，它拥有最高的临界场以及Baliga 和 Johnson 优值。AlN也是目前已知唯一可用于深紫外光电器件（约 200 nm 波长 LED、激光器和光电探测器）的半导体解决方案。

在射频和功率开关电子领域，与目前成熟的射频和功率电子领域的主导者——GaN 和 SiC 宽禁带半导体相比，AlN 带来的绝不仅仅是器件性能上的提升。而且，AlN 与其“小兄弟”GaN 共享生态系统基础设施（衬底、外延工具、制造工具、供应链等），这使得其开发成本大幅度降低，相较于将一种半导体从起步阶段发展到成熟阶段通常所需的成本而言只是一小部分。然而，与 GaN 不同的是，目前存在一种成熟的物理气相传输（PVT）AlN 衬底技术（2 英寸是常见的，4 英寸已经展示但尚未出售），并且有一个从 SiC PVT 经验借鉴而来的已知成本和时间模型，这表明如果得到进一步的投资，那么到 2030 年 6 - 8 英寸的晶圆可能会面世。最后，AlN材料及其众多原型器件目前已经开发出来，其进一步开发仅需要工程时间，并非需要重大的基础研究技术突破。

新兴市场

显然，AlN存在三个短期市场：光电器件（Optoelectronics, 特别是光电发射器）；开关功率器件（Switching Power Electronics），以及射频器件（RF Electronics）。

光电器件（Optoelectronics）

近年来，深紫外发光二极管（DUV-LEDs）的目标波长约为270 nm，因为这一波长很容易被病毒和细菌的有机物吸收。该波长处于描述吸收强度以及破坏病毒/细菌物种复制倾向的“消杀曲线”的一个峰值处。然而，在消杀曲线中约200 nm处存在一个更为敏感的峰值，这表明针对病毒和细菌物种进行杀菌的一种更高效的手段，且这与AlN的发射峰值非常吻合。出于这个原因，AlN基 DUV-LEDs管备受关注，且尚未得到充分应用。强深紫外光源的开发将使几乎任何表面的光学杀菌成为可能，而无需担心对人类健康有害。200 nm的光比270 nm的光更安全，因为它会被皮肤的角质层吸收，不太容易引发皮肤癌。

开关功率器件（Switching Power Electronics）

在许多电力电子应用中，AlN在其能够对超高电压器件进行开关控制方面独具优势，这是因为能力稍逊的半导体需要不切实际的器件厚度，而这正是当前外延技术难以实现的实际情况。相反，AlN仅需约 0.7 µm/kV，这就使得利用现今的外延工艺制造许多 10 kV 以上的器件变得切实可行。鉴于商业功率电子市场秉持的保守态度，国防部更有可能成为早期商业采纳更为合适的候选者。高压DC-DC、AC-DC和DC-AC转换器对于未来的电力电子系统至关重要，包括寻求不断提高电压母线运行的PEBB（Power Electronic Building Block）模块化系统。对于AlN而言，一个20 kV的PEBB理论上需要大约14 µm的外延层，相比之下，当前SiC技术则需要超过70 µm，这大大降低了器件成本和器件设计的限制。此外，AlN实现的更高开关频率会使相关的无功元件更小且在针对PEBB模块化系统中更易于处理，从而减小系统尺寸。许多kV级的固态变压器也可以通过AlN得以实现或简化（用单个器件开关代替串联连接的开关）。这些只是众多功率应用中的一部分，拥有一种能够承受更高电压的半导体可以实现更高的电压，进而降低导通损耗，从而实现前所未有的单一器件开关能力。

射频器件（RF Electronics）

AlN 在性能上非常接近 GaN，但在导热能力、耐压能力以及 p 型导电性方面超越了 GaN。AlN 的饱和速度为 GaN 的 93%，而且已经实现的电子迁移率超过 400 cm²/V·s，AlN 在电流传导方面几乎不逊色于 GaN 。然而，由于 AlN 的热导率高出 26%，能够有效地将热量从小射频器件中带走，所以 AlN 射频电子器件的功率密度可以更高。同样，由于 AlN 在给定器件长度下可以承受高达 50%的更高电压，与 GaN 相比，AlN 能够实现显著的功率效率。通过强调电压而非电流来减少热产生，并借助高的热导率，预计 AlN 射频器件的功率密度可以超过 50 W/mm——这是一个令人惊叹的能力。

掺杂成功的关键：通过低温合成控制缺陷化学

因此，AlN是一种迅速崛起的半导体，它可以在功率开关、高温电子器件、射频器件和光电器件领域提供显著且快速的开发利用潜力，这得益于低温非平衡外延技术突破所促成的掺杂技术的进步。然而，像所有宽禁带半导体一样，AlN的缺陷形成能量取决于费米能级的位置，这是由杂质和缺陷控制的，而不是像GaAs和Si这样的材料那样由生长温度控制。因此，缺陷和杂质通常会导致自补偿，这使得掺杂难以实现导电性。我们发现，通过在生长过程中控制表面化学，可以减少缺陷和杂质的补偿，较低的补偿空位浓度是使用低温生长的关键驱动因素。与普遍的认识相反，低温、富金属的真空过程显示出比高温、富氮方法更高的扩散长度。这一特性可以被利用于在不影响晶体质量的情况下，从而抑制Si-DX中心的形成。

此外，低温导致空位浓度呈指数级降低。因此，对于p型掺杂（其中N空位作为补偿施主），低温生长对于实现p型导电性至关重要。当用Si施主对AlN进行n型掺杂时，也有类似的理由支持减少补偿Al空位。第一性原理计算确定AlN价带分裂带为主要的空穴带，由于其在重空穴带和轻空穴带上方的异常位置，即使受主能更深，在掺杂浓度低于GaN的情况下仍会形成杂质带，这意味着在GaN中已被充分验证的杂质带掺杂方法可在更广泛的杂质浓度范围内应用于AlN。这种异常的能带结构使得空穴迁移率远高于GaN所能达到的水平。目前已经实现了p型AlN，空穴浓度约为4.4 × 10¹⁸ cm^-3，电阻率为0.045 Ω·cm，以及n型AlN，电子浓度约为6 × 10¹⁸ cm^-3，电阻率约为0.02 Ω·cm。此外，能够从孤立的受主态和施主态扩展形成杂质带的能力，导致了受体和施主的有效激活能估计分别约为37 meV和35-50 meV，这为未来几代AlN基单极电子器件、双极电子器件和光电器件的发展提供了巨大的希望。

P型潜力

对于相同的空穴浓度（约4×10¹⁸ cm^-3），AlN中的空穴迁移率约为GaN的10倍。这表明双极光电器件和互补电子技术（如推挽级或数字逻辑）在AlN中具有广阔的应用前景，而这些技术在GaN中并不实用。早期的晶体管结构显示，在V_DS=10V时，n沟道器件的沟道电流密度超过350 mA/mm，而在V_DS=30V时，p沟道器件的沟道电流密度约为30 mA/mm，预计还会有显著的改进。这意味着，与GaN晶体管相比，p:n型AlN晶体管的互补对布局几何不对称性仅为10:1，而GaN晶体管约为100:1。虽然与Si技术相比仍然较大，但10:1的布局不对称性是可控的，可以在保持合理封装密度的同时实现互补器件。

为什么p型AlN比p型GaN更好？

AlN具有一种特殊的能带结构，这对其p型导电十分有利。具体而言，在AlN中，劈裂价带位于重空穴简并带和轻空穴简并带之上，这使得它成为与较深受主（如参考文献1 - 3中所使用的Be）相互作用的主要能带。这意味着劈裂带是通过杂质带形成而产生的空穴输运带。由于该劈裂带的曲率比重空穴带和轻空穴带更强，空穴的有效质量更小，使得在该劈裂带中的空穴迁移率更高。此外，较小的有效质量导致杂质带开始形成时的掺杂浓度比GaN约低10倍。这意味着在AlN中，杂质带的形成在更低的掺杂下就能实现，并且具有提升激活效率和提高空穴浓度的优点。

n型掺杂的进步

尽管之前的MOCVD技术，在室温条件下所能达到的最大电子浓度大约为10¹⁵ cm^-3，但借助其他研究工作所描述的低温合成方法，如今已经能够实现高达6×10¹⁸ cm^-3的电子浓度。这些非平衡低温方法在文献中还得到了极具前景的离子注入工作的补充，通过离子注入也同样实现了高电子浓度。这两种方法的共同之处在于避免了高温，因为高温可能会导致大量空位的生成，这会补偿施主掺杂并加剧Si与N的c轴键断裂趋势。尽管或许还能实现更高的掺杂浓度，但目前所展示的掺杂浓度已经足够高，能够与原生（但未经等离子体刻蚀）材料形成良好的欧姆接触。

剩余工程技术挑战

AlN的主要挑战主要集中在工艺方面，而非基础科学。这意味着，只要给予足够的时间和资源，这些挑战都是可以被克服的。目前，主要的挑战有两个方面。首先，由于AlN容易从真空环境中吸附杂质，这大大影响了掺杂的可重复性。在半导体制造过程中，掺杂是一个关键的步骤，它决定了材料的导电类型和电导率。如果掺杂过程的可重复性差，那么器件的性能和可靠性就会受到影响。其次，与AlN的接触也是一个亟待解决的问题。如图1所示，根据标准电子亲和力模型，现有金属的功函数与AlN的电子亲和力并不完全匹配。大多数半导体的电子亲和力约为4 eV，而AlN的电子亲和力χ的范围在-0.2到1.9 eV之间，这种不确定性导致了在接触方面出现了一些奇特的现象。例如，在实验中，高功函数金属已被用于p型（预期）和n型（未预期）接触。这种现象的原因尚不清楚，但可能与形成的强烈弯曲的肖特基势垒有关。无论选择哪种金属，都允许隧道接触形成。这种策略虽然有效，但其原理仍需进一步研究和理解。目前，海军支持的研究工作正在深入分析这些现象的原因，并致力于提供改进的接触解决方案。通过这些努力，我们有望克服这些挑战，进一步推动AlN在电子和光电器件中的应用和发展。

图1. 根据电子亲和力模型，比较了现有金属的功函数与形成n型和p型AlN欧姆接触所需能量。假设AlN的电子亲和力为1.9 eV，但实际可能更低，这使得问题更为突出。

针对准垂直器件（通过刻蚀来实现与埋藏的n型层接触）所需的等离子刻蚀层接触质量极差（比未刻蚀的接触差100倍以上）。目前迫切需要对等离子刻蚀造成的损伤和表面污染物进行清理，并且这方面的研究正在进行中。采用数字刻蚀技术和/或那些在GaN中不常用的常见等离子化学方法可能具有很好的应用前景。据作者了解，目前还没有人致力于研究导电性AlN单晶衬底，但这种创新技术有望推动光电器件和功率开关电力电子领域的应用迅速扩展，并且可以规避对准垂直器件以及与刻蚀表面接触的需求。一个无需使用导电晶圆就能实现相同垂直传导目标的解决方案是采用外延剥离技术。不过，这种方法可能会限制器件的整体面积，进而可能对大电流器件产生影响。

一种颇具前景的接触解决方案是采用组分渐变接触，不过这仍需在AlN中予以实施。Amano 等人近期展示了一种应用于高Al组分 AlGaN 二极管的组分渐变——n 型和 p 型接触层，其展现出了极为显著的特征导通电阻，为 0.003 Ω-cm²。乍看之下，这似乎很容易推广应用至 AlN，但一个鲜为人知的情况是，极化梯度并非产生自由载流子，而只是将自由载流子从其他位置吸引过来，这就使得实施变得颇为复杂。具体而言，需要一个庞大的自由电子和空穴储备库，以便能够朝着极化渐变区域进行吸引。这些载流子通常源于表面态。然而在 AlN 中，表面态Al氧化物非常好地钝化了。故而，在组分渐变结构中达成 100%的Al组分或许会更加困难，还需要更多的研究工作。

结论

AlN半导体的近期发展成果，即能够进行高效掺杂的AlN，为未来的电力电子和光电器件带来了令人振奋的前景，其性能是前所未有的。采用低温、非平衡方法已经成功实现了室温下自由载流子浓度超过4×10¹⁸ cm^-3的半导体AlN（包括n型和p型导电），并且已经制成了具有良好应用前景的功能性p-n二极管和早期（尚不完善的）晶体管。尽管仍有部分领域尚待探索，但最为迫切的需求在于接触改进，这主要是一个工艺方面的挑战，而非基础科学难题。此外，我们需要通过导电单晶晶圆或后处理方法（例如外延剥离）来努力实现垂直导电器件的制备。