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(dāng)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(biāo)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(qiáng)的電場。氮化鋁（AlN）的帶隙高達(dá)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”。化學(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(tuán)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(tuán)隊，因為發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管，于2014年獲得諾貝爾獎。

此次，該團(tuán)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(fù)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(jī)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(tuán)隊測試了其介電擊穿場強(qiáng)，結(jié)果為7.3MV/cm，這是AlN基pn結(jié)介電擊穿場強(qiáng)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(dāng)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(jī)基站、雷達(dá)、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(biāo)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?！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(jì)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。