下一代新的功率半導(dǎo)體會是什么材料
對于高壓控制，氮化鋁將難有敵手。
過去十年里，半導(dǎo)體領(lǐng)域里最大的事件之一就是傳統(tǒng)硅在電力電子領(lǐng)域黯然失色，碳化硅（SiC）和鎵氮化物（GaN）占據(jù)了數(shù)十億美元的市場份額。隨著這些新材料在重要領(lǐng)域的應(yīng)用，自然而然地出現(xiàn)了一個問題：下一代新的功率半導(dǎo)體會是什么材料？
人們的注意力集中在了鎵氧化物、金剛石和氮化鋁（AlN）上。這些材料都有著顯著的特點，以及阻礙其在商業(yè)上取得成功的根本性弱點。不過，在2023年12月于舊金山舉行的IEEE國際電子器件大會（IEDM）上，名古屋大學(xué)報告了相關(guān)技術(shù)進步，現(xiàn)在氮化鋁的前景有了很大的改觀。
在IEDM上，名古屋大學(xué)的研究人員介紹了一種基于氮化鋁合金的二極管制造方法，這種二極管每厘米能夠承受7.3兆伏的電場，大約是碳化硅或氮化鎵的2倍。值得注意的是，這種器件傳導(dǎo)電流的電阻非常低。
日本名古屋大學(xué)正在測試最先進的氮化鋁二極管。
“這是一個了不起的成果?！眴讨蝸喞砉ご髮W(xué)的電氣與計算機工程教授、寬帶隙半導(dǎo)體專家W. 艾倫?杜立特爾（W. Alan Doolittle）說。
氮化鋁經(jīng)久不衰的吸引力
長期以來，氮化鋁不斷吸引著半導(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。氮化鋁的帶隙高達6.20電子伏，優(yōu)于鎵氮化物的3.40電子伏和碳化硅的3.26電子伏。
不過，氮化鋁不斷存在一個問題，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。
一個有著諾貝爾獎血統(tǒng)的強大團隊
21世紀初，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究人員利用這種特性開發(fā)了一種稱為分布式極化摻雜的技術(shù)。借助這種技術(shù)，研究人員在沒有雜質(zhì)摻雜劑的情況下取得了大批（三維）氮化鎵的n型摻雜。團隊成員包括了領(lǐng)導(dǎo)者優(yōu)曼許?米什拉（Umesh Mishra，IEEE會士，現(xiàn)任加州大學(xué)圣芭芭拉分校工程系主任）、研究員德布迪普?耶納（Debdeep Jena）、尤利婭?斯莫爾奇科娃（Ioulia Smorchkova）和邢慧麗。耶納和邢慧麗都是IEEE會士，現(xiàn)在就職于康奈爾大學(xué)，二人于2010年在康奈爾大學(xué)演示了p型分布式極化摻雜，然后于2018年在康奈爾大學(xué)演示了無摻雜劑二維空穴氣。
名古屋大學(xué)團隊包括天野浩，他因為發(fā)明藍色發(fā)光二極管于2014年取得諾貝爾獎。該團隊在先前成就的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)氮化鋁無摻雜劑分布式極化摻雜技術(shù)，更準確地說，他們實現(xiàn)的是一種由氮化鋁和氮化鎵混合物組成的氮化鋁鎵合金（AlGaN）。像任何二極管一樣，他們的器件有一個p摻雜區(qū)和一個n摻雜區(qū)，兩者之間有一個稱為“結(jié)”的邊界。這兩個區(qū)域的摻雜都是順利獲得分布式極化摻雜來實現(xiàn)的。更具體地說，摻雜是順利獲得在合金中確定氮化鋁相對于氮化鎵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。
氮化鋁二極管揭示了一種新型半導(dǎo)體的重大進展
“氮化鋁鎵合金的成分不是均勻的，而是以線性方式在空間上變化的?！币{說。在靠近陽極的一側(cè)，p摻雜層開始是純氮化鎵；越靠近n摻雜層的結(jié)，氮化鋁鎵合金中氮化鋁的百分比越高，直到在結(jié)處，其百分比達到95%；穿過n摻雜區(qū)后，隨著與結(jié)的距離增大，氮化鋁的百分比逐漸下降，從95%下降到最低70%時，該層與純氮化鋁基層接觸。
“這是一種新的半導(dǎo)體器件概念?！币{說。他補充道，下一步是制造一種二極管，其結(jié)處是純氮化鋁層，而不是95%的氮化鋁層。根據(jù)他的計算，僅2微米厚的氮化鋁層就足以令人驚訝地阻擋3千伏電壓。“不久的將來就會實現(xiàn)這一點?！彼f。
耶納和杜立特爾均表示，他們的終極目標是打造一種遠遠優(yōu)于現(xiàn)有晶體管、可實現(xiàn)商業(yè)化的氮化鋁功率晶體管。名古屋大學(xué)的研究工作表明，最終實現(xiàn)這一目標是毫無疑問的。“現(xiàn)在要解決的只是工程問題。”杜立特爾說。二人指出，名古屋大學(xué)的二極管是一種垂直器件，這是功率半導(dǎo)體的優(yōu)選方向。
近年來，雖然已被證實的基于氮化鋁的晶體管至少有6種，但這些晶體管都不是垂直器件，而且，也沒有哪一種具備能夠與商用氮化鎵或碳化硅晶體管競爭的特性。此外，這些晶體管的關(guān)鍵部件都依賴氮化鋁鎵。
名古屋大學(xué)的研究人員隈部高石武在給本刊的電子郵件中寫道：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 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…… ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 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 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 要實現(xiàn)的夢想?！彼f，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。
作者：Glenn Zorpette
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