誰將是下一代功率半導(dǎo)體？名古屋大學(xué)的研究人員：對于高壓控制，氮化鋁（AlN）將難有敵手

?? 誰將是下一代新的功率半導(dǎo)體？

隨著現(xiàn)代社會對電力需求的不斷增加，電力系統(tǒng)的可靠性、高效性和可持續(xù)性成為當今電力工程領(lǐng)域亟待解決的核心問題。

一代材料，一代設(shè)備，一代器件。功率半導(dǎo)體，作為電力電子領(lǐng)域的重要組成部分，扮演著關(guān)鍵的角色，其應(yīng)用范圍涵蓋了電力變換、傳輸、可再生能源集成、電動汽車充電等多個領(lǐng)域。

半導(dǎo)體材料的革新對于行業(yè)具有顛覆性影響。以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）、金剛石（Diamond）等為代表的（超）寬禁帶半導(dǎo)體相比于傳統(tǒng)硅材料（Si）在開關(guān)效率、尺寸、頻率等功率器件關(guān)鍵性能指標上優(yōu)勢明顯，但誰將是下一代新的功率半導(dǎo)體材料？

名古屋大學(xué)的研究人員表示，對于高壓控制，氮化鋁（AlN）將難有敵手。

長期以來，氮化鋁（AlN）一直吸引著半導(dǎo)體研究人員。

功率半導(dǎo)體最重要的特征之一就是其帶隙。用寬帶隙半導(dǎo)體制成的晶體管能夠在材料失效和晶體管損壞之前承受非常強的電場。氮化鋁（AlN）的帶隙高達6.20eV，優(yōu)于鎵氮化物的3.40eV和碳化硅(SiC)的3.26eV。使用硅（Si）、碳化硅(SiC)及氮化鎵(GaN)等材料作為功率半導(dǎo)體時，在功率半導(dǎo)體通電及反復(fù)打開關(guān)閉開關(guān)時，電會變?yōu)闊岫右?，因此會產(chǎn)生電力損失。理論上，氮化鋁比硅等的電力損失更小，但難以制作元器件，一直沒有被用于實證。

這主要是因為，氮化鋁（AlN）一直存在一個問題，那就是摻雜。

即其中附著了雜質(zhì)元素，會使半導(dǎo)體產(chǎn)生過量電荷，從而使其攜帶電流。過多的電荷可以是電子，讓半導(dǎo)體成為“n型”，也可以是電子缺乏導(dǎo)致的“空穴”，讓半導(dǎo)體成為“p型”?；瘜W(xué)摻雜氮化鋁（AlN）的策略是最近幾年才出現(xiàn)的，研究人員對其有效性尚存爭議。幾乎所有在商業(yè)上取得成功的器件都是由化學(xué)摻雜的半導(dǎo)體組成的。

但是事實證明，這種雜質(zhì)摻雜并不是摻雜半導(dǎo)體的唯一方法。有些基于元素周期表中第III族和第V族元素（如氮化鎵）化合物的半導(dǎo)體有著非同尋常的顯著特性。在兩個這種半導(dǎo)體接觸的邊界處，它們會自發(fā)地產(chǎn)生一個由極易移動的電荷載流子組成的二維池。這個二維池被稱為二維電子氣，是從晶體中的內(nèi)部電場產(chǎn)生的，并沒有化學(xué)摻雜。

??諾貝爾獲獎?wù)咛煲昂茍F隊成功制備出下一代氮化鋁基功率半導(dǎo)體

名古屋大學(xué)天野浩教授團隊，因為發(fā)明藍色發(fā)光二極管，于2014年獲得諾貝爾獎。

此次，該團隊在先前成就的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)氮化鋁（AlN）無摻雜劑分布式極化摻雜技術(shù)，這種方法被稱為分布式偏振摻雜（DPD），在空間上改變氮化物的量（混合），成功開發(fā)了一種新型AlN基材料，即一種由氮化鋁和氮化鎵混合物組成的氮化鋁鎵合金（AlGaN）。

也就是說，摻雜是通過在合金中確定氮化鋁（AlN）相對于氮化鎵（GaN）的百分比梯度來實現(xiàn)的。摻雜是p型還是n型簡單地取決于梯度的方向。通過使氮化鋁鎵（AlGaN）中的鋁(Al)和鎵(Ga)的比率逐漸變化，就會產(chǎn)生正、負電荷出現(xiàn)的“極化”效果。由此，半導(dǎo)體中的電子或空穴聚集，能夠使作為絕緣體的氮化鋁鎵（AlGaN）成為p型或n型。

利用這種“極化摻雜法”的方法，研究小組首次成功地在氮化鋁基板上制作了pn結(jié)二極管的半導(dǎo)體器件，使其具有與添加雜質(zhì)的半導(dǎo)體同樣的導(dǎo)電性能來工作。研究中，采用金屬有機氣相外延生長（MOVPE ，在高質(zhì)量AlN（0001）襯底上形成未摻雜的AlN層和高濃度n型Al 0.7 Ga 0.3 N層后方法）然后，在頂部高濃度p型GaN層和底部高濃度n型Al 0.7 Ga 0.3 N層上形成電極，制造pn結(jié)二極管。

為了檢驗其半導(dǎo)體特性，對其施加電場，實驗測試結(jié)果表明，AlGaN具有優(yōu)異的電流-電壓特性、電壓-電容特性和發(fā)光特性，尤其是電流-電壓特性顯示出優(yōu)異的耐高電壓性。針對其高擊穿電壓特性，該研究團隊測試了其介電擊穿場強，結(jié)果為7.3MV/cm，這是AlN基pn結(jié)介電擊穿場強的世界最高測量值。相比較下，是傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體的約25倍，是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的約2倍。

當AlN這種具有優(yōu)異性能的半導(dǎo)體實用化時，電力變換的損失將會變少，更加節(jié)能。這也為應(yīng)用于手機基站、雷達、通信衛(wèi)星等下一代通信奠定基礎(chǔ)。

天野教授說：“希望這項技術(shù)應(yīng)用于探索再生能源和高電壓下的交流電力輸電系統(tǒng)等在電網(wǎng)中的應(yīng)用?！薄?/p>

名古屋大學(xué)的須田淳教授表示：“此次的成果表明氮化鋁的品質(zhì)良好。希望大約5年后，發(fā)布多種元器件”。

名古屋大學(xué)的研究人員隈部高石武：“我們相信，利用分布式極化摻雜技術(shù)實現(xiàn)具有商業(yè)競爭力的（功率晶體管）是可能的……我們的目標器件是基于氮化鋁的垂直異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，它由兩個p-n結(jié)組成，具有良好的功率和面積效率。這也是我們要實現(xiàn)的夢想。”他說，他們希望在未來3到5年內(nèi)解決一系列問題，并在21世紀30年代實現(xiàn)基于氮化鋁的功率器件的商業(yè)化。

該研究主要使用旭化成子公司Crystal IS開發(fā)的高品質(zhì)AlN單晶基板，名古屋大學(xué)與旭化成共同開發(fā)的AlN薄膜晶體生長技術(shù)，名古屋大學(xué)能源轉(zhuǎn)換實驗設(shè)施（C-TEFs))的下一代半導(dǎo)體潔凈室是通過器件形成技術(shù)實現(xiàn)的。

該成果于2月26日刊登在美國電氣電子學(xué)會“電子交易”電子版上。