原文标题
The Future of Aluminum Nitride (AIN) Substrates: Powering Tomorrow’s Technologies
刊登于Crystal IS官网2024年9月9日
在飞速发展的半导体技术领域，一种材料正崭露头角，有望成为半导体技术游戏规则的改变者（game-changer）：氮化铝（AlN）。
于Crystal IS公司而言，我们长期致力于氮化铝单晶衬底技术的研发工作，并始终站在该领域技术发展的前沿。去年，公司正式宣告成功研制出直径达4英寸（100 mm）的氮化铝单晶衬底。数月之前，我们更是自豪地宣布，直径为100 mm的单晶氮化铝衬底已实现成批制备，且其有效使用面积高达99%。这一成果无疑是该行业发展的一个重要里程碑。
鉴于对电子器件愈发追求高效能与强大性能的发展趋势，氮化铝单晶衬底必将在下一代功率器件及射频（RF）应用的构建过程中发挥举足轻重的作用 。
氮化铝（AlN）的崛起
在全球电气化进程不断加速的大背景下，高效半导体功率器件的需求呈现出迅猛增长的态势。这一需求在商业、国防以及民用等领域尤为迫切，因为这些领域的能源消耗正与日俱增。氮化铝单晶衬底技术为有效应对上述挑战提供了一种极具潜力的解决方案。基于该衬底技术，有望研发出能够承载更高功率密度、承受更大电压与更高频率，同时可在极端温度环境下稳定运行的半导体功率器件 。
上月，一个德国研究联盟展示了基于氮化铝单晶衬底的功率半导体价值链实际应用情况，这为该行业带来了积极信号。弗劳恩霍夫集成系统与器件技术研究所（IISB）在一份新闻稿中指出：
“采用这些AIN单晶衬底制造的首批晶体管已展现出良好的电学特性，例如击穿电压高达2200 V，且功率密度优于碳化硅及氮化镓基功率开关器件。”
氮化铝（AlN）隶属于超宽禁带（UWBG）材料体系，与氧化镓、金刚石等材料同属该体系。鉴于其相较于传统半导体材料展现出更为卓越的性能，这类材料正逐渐成为研究热点。氮化铝衬底具备以下显著优势：
• 具有高热导率，有助于提升散热效率；
• 具备高电压阻断能力（数千伏量级）；
• 能够与商业上已获成功的基于氮化镓（GaN）的射频器件实现良好集成；
• 晶体缺陷密度较低，且已实现直径 100 mm的单晶衬底生产 。
这些特性使氮化铝单晶衬底成为功率电子器件与射频器件的优选材料，尤其在极端工况下对高性能有严苛要求的各类应用场景中极具应用潜力 。
氮化铝（AlN）的优势与市场潜力
氮化铝单晶衬底在未来拥有多元且极具前景的应用领域，广泛涉及从提升现有功率器件与射频器件性能，到在航空航天及国防领域开展下一代应用等多个层面。
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功率电子领域
伴随各行业电气化进程的不断推进，基于氮化铝单晶衬底的器件有望大幅提高电力转换与输送系统的能源效率。得益于其超宽禁带特性，可制造出阻断电压超过 10 千伏的器件，进而缩减系统体积并强化系统控制能力 。
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射频器件
在国防应用场景中，为实现领先的性能指标，有效解决散热难题以及应对高热边界条件已成为关键所在。目前，针对氮化铝的相关研究工作正在深入开展。其研究目的在于借助氮化铝材料，能够在常用的氮化镓射频高电子迁移率晶体管（GaN RF HEMT）与具备高体热导率的材料之间构建起低热边界电阻，以此缓解射频器件在热管理方面所面临的困境。现阶段，由于温度持续累积，致使这些射频器件无法在额定性能状态下运行，只能通过降额使用的方式来抑制器件性能的衰退。
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极端环境电子器件
在航空航天、深部地球探测等众多行业以及其他极端环境应用领域，鉴于氮化铝材料所展现出的卓越物理性能、出色的化学稳定性以及优异的抗辐射特性，基于氮化铝材料制备的器件有望为这些领域带来显著的技术优势与价值 。
然而，尽管氮化铝单晶衬底展现出巨大的应用潜力，但要在工业界实现广泛采用，仍面临诸多障碍。其中，成本问题一直是制约其大规模应用的关键因素之一。不过，Crystal IS公司在降低氮化铝衬底生产成本方面已取得显著进展，使其成本水平与传统半导体材料（如碳化硅）更为接近，在市场竞争力上得到显著提升。此外，近期成功实现直径100 mm氮化铝衬底的批量量产，这一成果意义重大。由于该尺寸的衬底与现有代工生产设施的生产能力高度适配，有望大幅推动行业内对氮化铝单晶衬底的应用进程 。
未来展望
伴随 Crystal IS 公司将其衬底应用领域由光器件进一步拓展至其他领域，基于氮化铝单晶衬底的相关研发工作呈现出日益增多的态势。该公司与合作伙伴及客户通力协作，致力于在器件设计与性能优化方面实现重大突破，进而为众多应用领域开拓全新的发展契机 。
图1：电力传输网各节点处，器件所需最小厚度与电网电压的对应关系。就半导体器件而论，厚度低于200 μm被视作较为合理的范围。氮化铝（AlN）是唯一适配变电站级应用的材料，且在全电网应用场景下，其材料用量最少，故而成为一种相对经济的选择
氮化铝单晶衬底的发展前景极为广阔，预期将对多个行业产生意义深远的影响。在半导体技术领域持续拓展现有技术边界的过程中，以氮化铝为代表的此类材料，将在推动电子器件向更高能效、更强性能以及更强环境适应性方向演进的过程中发挥至关重要的作用。
氮化铝单晶衬底技术的进步远非局限于渐进式的改良层面。它昭示着在功率器件及射频应用领域，我们有望迎来潜在的范式革新。伴随研究的不断深入以及制造能力的持续提升，基于氮化铝单晶衬底的器件极有可能在不远的将来，对从电力网络到通信系统等诸多领域带来具有革命性意义的变革，进而为构建更为高效、更具可持续性的技术发展未来奠定坚实基础 。
原文源于【Crystal IS官网】
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