行業(yè) | SiC/GaN的強(qiáng)勁對手 — 新一代AlN基晶體管

原文標(biāo)題
The New, New Transistor

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

原文鏈接

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

原文作者
Glenn Zorpette, editorial director (編輯部主任) of IEEE Spectrum

日本名古屋大學(xué)制造的AlN基二極管展示了其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景

在過去的十年中，半導(dǎo)體領(lǐng)域最大的新聞之一就是傳統(tǒng)硅的意外被超越——在電力電子領(lǐng)域，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）已經(jīng)超越了硅，占據(jù)了數(shù)十億美元的市場份額。隨著這些具有優(yōu)越性能的新秀逐漸占據(jù)主要應(yīng)用領(lǐng)域，人們自然會(huì)提出一個(gè)問題：下一代新的功率半導(dǎo)體會(huì)是什么——哪一種半導(dǎo)體將憑借其卓越的性能從SiC和GaN手中奪取主要市場份額？

人們的關(guān)注集中在三個(gè)候選者身上：氧化鎵、金剛石和氮化鋁（AlN）。它們都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些根本性的弱點(diǎn)，這些弱點(diǎn)迄今為止阻礙了它們的商業(yè)化成功。然而，由于最近的一些突破，包括去年12月在舊金山舉行的最近一次IEEE IEDM（國際電子器件會(huì)議）上報(bào)告的名古屋大學(xué)一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步，AlN的前景已經(jīng)大為改觀。

氮化鋁如何在（甚至領(lǐng)先于？）SiC和GaN競爭中脫穎而出？

IEEE IEDM論文描述了一種基于AlN合金的二極管的制備方法，該二極管能夠承受高達(dá)每厘米7.3兆伏的電場——大約是SiC或GaN理論上所能承受的兩倍。值得注意的是，該器件在導(dǎo)電時(shí)具有非常低的電阻。“這是一個(gè)驚人的結(jié)果，”IEEE高級(jí)會(huì)員、佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程教授W. Alan Doolittle說，“特別是這個(gè)器件的導(dǎo)通電阻，簡直好得離譜。”名古屋論文有七位合著者，其中包括IEEE會(huì)員Hiroshi Amano，他在2014年因發(fā)明藍(lán)色LED中的作用而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

“This is a new concept in semiconductor devices.”

“這是半導(dǎo)體器件的一個(gè)新概念。”——康奈爾大學(xué)Debdeep Jena教授

氮化鋁長期以來一直吸引著半導(dǎo)體研究人員的關(guān)注。功率半導(dǎo)體最重要的特性之一是其帶隙。帶隙是指半導(dǎo)體晶格中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，以電子伏特為單位。在寬帶隙半導(dǎo)體中，如GaN或SiC，原子間的鍵合很強(qiáng)。因此，在鍵斷裂并摧毀晶體管之前，該材料能夠承受非常強(qiáng)的電場。但與AlN相比，它們都黯然失色。AlN的帶隙為6.20電子伏特；對于GaN，它是3.40；而對于最常見的SiC類型，則是3.26。

氮化鋁（AlN）長期面臨的一個(gè)問題是摻雜，即插入雜質(zhì)元素使半導(dǎo)體帶有過量的電荷，從而使其能夠傳導(dǎo)電流。近年來，AlN化學(xué)摻雜的策略近幾年才開始出現(xiàn)，尚未完全發(fā)展成熟，其有效性在研究人員之間是一個(gè)有些爭議的話題。在摻雜過程中，過量的電荷可以是電子，在這種情況下半導(dǎo)體被稱為“n型”，也可以是稱為空穴的電子缺失，在這種情況下它是“p型”。幾乎所有商業(yè)上成功的器件都是由這樣的摻雜半導(dǎo)體夾層組成的。

事實(shí)證明，雜質(zhì)摻雜并不是摻雜半導(dǎo)體的唯一方法。一些基于周期表中第III族和第V族元素的化合物半導(dǎo)體——例如化合物氮化鎵——具有一種不尋常且顯著的特性。在這兩種半導(dǎo)體相遇的邊界處，即使沒有化學(xué)摻雜，它們也可以自發(fā)地產(chǎn)生一個(gè)二維的、極高遷移率的電荷載流子池，稱為二維電子氣（2DEG）。它源于晶體內(nèi)部的一個(gè)電場，這個(gè)電場來自幾個(gè)屬性。首先，這些III-V族半導(dǎo)體的晶體具有異常極性：在晶體的單位晶胞內(nèi)，電子云和帶正電的原子核足夠偏移，使得每個(gè)晶胞都有明確的負(fù)區(qū)和正區(qū)（偶極子）。此外，僅通過拉伸這些半導(dǎo)體的晶格，就可以在晶格中產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

重大進(jìn)展背后的故事

在21世紀(jì)初，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員利用這些特性開發(fā)了一種稱為分布式極化摻雜的技術(shù)，該技術(shù)使他們能夠在沒有雜質(zhì)摻雜劑的情況下實(shí)現(xiàn)氮化鎵的n型摻雜。該團(tuán)隊(duì)包括IEEE會(huì)士Umesh Mishra（現(xiàn)為加州大學(xué)圣巴巴拉分校工程學(xué)院長）及其研究生Debdeep Jena和Huili（Grace）Xing，他們現(xiàn)在都是康奈爾大學(xué)教授。Jena和Xing后來都成為了IEEE會(huì)士，他們在2010年展示了p型分布式極化摻雜，然后在2018年在康奈爾大學(xué)展示了無摻雜劑的2D空穴氣（2DHG）。

名古屋大學(xué)測試最先進(jìn)的氮化鋁基二極管

名古屋大學(xué)小組在這些先前的成就基礎(chǔ)上，通過在氮化鋁中實(shí)施無摻雜劑分布的極化摻雜技術(shù)，或者更準(zhǔn)確地說，是在由AlN和GaN混合組成的鋁鎵氮（AlGaN）合金中實(shí)施該技術(shù)。像任何二極管一樣，他們的器件有一個(gè)p型摻雜區(qū)域與一個(gè)n型摻雜區(qū)域相連接，中間有一個(gè)叫做結(jié)的邊界。對于這兩個(gè)區(qū)域，都是通過分布式極化摻雜來實(shí)現(xiàn)的。他們通過在摻雜區(qū)域中建立AlGaN不同組分的梯度，實(shí)現(xiàn)了不同的極化，即n型和p型。摻雜是n型還是p型，僅取決于梯度的方向。

“與AlGaN的均勻組成不同，Al的組成在空間上以線性方式變化，”Jena說。p型摻雜層在與陽極接觸的一側(cè)開始時(shí)為純GaN。向與n型摻雜層的結(jié)移動(dòng)時(shí)，AlGaN合金中Al的比例增加，直到在結(jié)處達(dá)到95%的Al。繼續(xù)朝相同方向移動(dòng)，穿過n型摻雜區(qū)域，AlN的比例隨著距離結(jié)的距離增加而減少，從95%開始，在該層與純AlN襯底接觸的地方降至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.”

“最終目標(biāo)是開發(fā)出一種商業(yè)上可獲得的、大大優(yōu)于現(xiàn)有選項(xiàng)的氮化鋁功率晶體管，而名古屋大學(xué)的工作已經(jīng)幾乎沒有懸念地表明這最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)。”

“這是半導(dǎo)體器件的一個(gè)新概念，”Jena教授談到名古屋大學(xué)的器件時(shí)說。他補(bǔ)充說，下一步是在結(jié)處制造一個(gè)純AlN層的二極管，而不是95%的AlN。根據(jù)他的計(jì)算，一個(gè)僅2 μm的AlN層就足以阻擋3千伏的電壓。“這正是不久的將來會(huì)發(fā)生的事情，”他說。

在佐治亞理工學(xué)院，Doolittle教授也認(rèn)為，在未來的器件中通過整合更高純度的AlN，仍有巨大的改進(jìn)空間。例如，名古屋二極管的擊穿電場為7.3 MV/cm，令人印象深刻，但AlN器件的理論最大值約為15。熱導(dǎo)率也可以通過增加更多的AlN得到極大的提高。對于一個(gè)功率器件來說，導(dǎo)熱能力至關(guān)重要，AlGaN合金的熱導(dǎo)率為50 W/(m·K)。另一方面，純氮化鋁的熱導(dǎo)率相當(dāng)可觀，為320 W/(m·K)，介于GaN的250 W/(m·K)和SiC的490 W/(m·K)之間。

根據(jù)Jena教授和Doolittle教授的觀點(diǎn)，最終目標(biāo)是一種商業(yè)上可獲得的、大大優(yōu)于現(xiàn)有選項(xiàng)的AlN基功率晶體管，而名古屋的工作已經(jīng)幾乎沒有懸念地表明這最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)。“就目前進(jìn)展來看，這只是一個(gè)工程學(xué)問題，”Doolittle說。他們都注意到，名古屋的二極管是一種垂直器件，這是功率半導(dǎo)體的首選方向。在一個(gè)垂直器件中，電流直接從襯底向上流向器件頂部的接觸點(diǎn)——這種配置允許最大電流流動(dòng)。

近年來，至少有六款基于AlN的晶體管已經(jīng)制備出來，但這些都不是垂直器件，也沒有一款的特性能與市面上可買到的GaN或SiC晶體管競爭，它們也依賴于關(guān)鍵組件中的AlGaN。

在發(fā)給IEEE Spectrum的一封電子郵件中，名古屋論文的合著者、IEEE會(huì)員Takeru Kumabe寫道：“我們認(rèn)為，利用分布式極化摻雜技術(shù)，有可能制備出具有商業(yè)競爭力的功率晶體管……我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于AlN的垂直異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，它由兩個(gè)p-n結(jié)組成，展現(xiàn)出良好的功率和面積效率，這是我們的夢想。”

Kumabe補(bǔ)充說，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想，團(tuán)隊(duì)將專注于深入理解電荷遷移率，“載流子壽命、臨界電場和深能級(jí)缺陷，還應(yīng)開發(fā)能夠生產(chǎn)高質(zhì)量器件層并在加工過程中引入較少損傷的晶體生長和器件制備技術(shù)。我們希望在三到五年內(nèi)解決這些問題，并在2030年前后實(shí)現(xiàn)AlN基功率器件的商業(yè)化應(yīng)用，”他說。

This article appears in the March 2024 print issue as “The Next Powerhouse Transistor.”
本文發(fā)表在2024年3月的印刷版上，標(biāo)題為“下一代強(qiáng)大晶體管”

關(guān)于IEEE Spectrum

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