氮化鋁（AlN）：在功率半導體行業(yè)中嶄露頭角的超寬帶隙（UWBG）技術(shù)
編輯：轉自：先進(jìn)陶瓷展
發(fā)布時(shí)間：2024-04-19
對能源轉換系統效率的不懈追求加速了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新材料的采用，這些材料滿(mǎn)足了數十億的市場(chǎng)需求，包括電動(dòng)汽車(chē)（EV）、充電系統、可再生能源等以環(huán)境為重點(diǎn)的應用。這兩種技術(shù)的主要區別特征之一是帶隙（或能隙），以eV表示，SiC和GaN的帶隙分別為3.2eV和3.4eV，是主流硅材料的三倍。在帶隙遠高于5eV的材料（即UWBG）中，我們發(fā)現了金剛石、氧化鎵、氮化鋁和立方氮化硼，見(jiàn)表 1。
眾所周知，能隙表示價(jià)帶的電子必須獲得的能量才能跳到導帶，在那里它可以在電場(chǎng)作用下自由移動(dòng)并產(chǎn)生電流，因此可以制造二極管和晶體管等器件。高帶隙晶體管可以承受更高的電場(chǎng)，因為其原子鍵很強。與硅相比，這種特性可降低高電壓下的導通電阻，從而最大限度地減少傳導損耗并有助于提高效率。這種性能與臨界電場(chǎng)參數有關(guān)，見(jiàn)表1，AlN和c-BN達到最高值。 最近，研究人員專(zhuān)注于氧化鎵、金剛石和AlN。它們都表現出吸引人的屬性，但也不可避免地存在迄今為止阻礙其商業(yè)發(fā)展的弱點(diǎn)。然而，由于名古屋大學(xué)在去年12月于舊金山舉行的IEEE國際電子器件（IEDM）活動(dòng)上匯報的最新技術(shù)進(jìn)展，AlN成為其它材料的潛在競爭者。 氮化鋁（AIN）是一種無(wú)毒材料，因其高導熱性和出色的電絕緣性能而被使用。除了熱膨脹系數和電絕緣能力外，AlN陶瓷還能抵抗大多數熔融金屬（如銅、鋰和鋁）的侵蝕。AlN是一種陶瓷材料，由65.81%的Al和34.19%的N組成。由于其特性，這種陶瓷已被證明可用于許多應用，例如在深紫外頻率下工作的光電子器件。氮化鋁還廣泛用于散熱器和散熱器、電絕緣體、硅晶圓處理和加工等應用，作為封裝基板（代替劇毒的氧化鈹和氧化鋁），作為光存儲介質(zhì)、微波封裝等中的介電層。 所有半導體都是基于雜質(zhì)元素的化學(xué)摻雜來(lái)操作的。當插入摻雜材料時(shí)，可以產(chǎn)生n型或p型半導體，這取決于該步驟是否產(chǎn)生過(guò)量的負電荷載流子、電子或來(lái)自電子不足的正電荷，稱(chēng)為空穴。市場(chǎng)上幾乎所有成功的器件都是由這種摻雜半導體夾在一起的。原始半導體結構是連接兩個(gè)端子或二極管的p-n 結。 有一些化合物半導體含有元素周期表的III族和V族元素，例如氮化鎵，它們具有不尋常但易于利用的特性。在兩種特定半導體相遇的界面上，例如GaN和AlGaN，即使沒(méi)有化學(xué)摻雜，它們也可以自發(fā)產(chǎn)生具有極強移動(dòng)電荷載流子的二維電子氣體（2DEG）。氮具有比鎵和鋁更高的電負性，導致凈電荷位移或電自發(fā)極化，即相反電荷的不同域。此外，晶格失配引起的機械應力會(huì )因壓電效應而導致額外的極化。換句話(huà)說(shuō)，這種效應僅通過(guò)拉緊晶格來(lái)產(chǎn)生電荷，這是一種稱(chēng)為極化摻雜的另一種摻雜形式。這兩種類(lèi)型的極化同時(shí)產(chǎn)生凈正電荷。但為了實(shí)現電荷中性，在界面處彈出相同數量的負電荷，這正是高電導率 2DEG。 上面提到的論文是由七位合著(zhù)者組成的團隊撰寫(xiě)的，其中一些來(lái)自名古屋大學(xué)，包括因發(fā)明藍色LED而獲得2014年諾貝爾獎的天野浩。本文描述了通過(guò)在氮化鋁或更準確地說(shuō)是由AlN和GaN的混合物組成的氮化鋁鎵合金（AlGaN）中實(shí)現無(wú)摻雜分布偏振摻雜技術(shù)來(lái)實(shí)現二極管的方法。基礎摻雜技術(shù)是獨特的極化誘導（Pi）摻雜方案，可產(chǎn)生高遷移率的2DEG，不含雜質(zhì)摻雜。最近，在未摻雜的GaN/AlN結構中也報道了一種二維空穴氣體（2DHG）。除了從異質(zhì)結界面上的極化不連續性產(chǎn)生二維載流子外，還可以從線(xiàn)性梯度結構中的恒定極化梯度中獲得具有恒定體積濃度的三維電子氣體和空穴氣體的Pi體或分布極性摻雜（DPD）。 與任何其他二極管一樣，該器件具有p摻雜區域和n摻雜區域或結。對于這兩個(gè)地區，摻雜都是通過(guò)分布式極化摻雜技術(shù)實(shí)現的。通過(guò)在每個(gè)摻雜區域中建立合金中AlN與GaN百分比的梯度來(lái)實(shí)現不同的n型和p型極化。最大的創(chuàng )新在于摻雜是n型還是p型，僅取決于梯度的方向。作者證明，基于氮化鋁合金的二極管能夠承受每厘米7.3兆伏的電場(chǎng)，大約是SiC或GaN的兩倍。這個(gè)值令人印象深刻，但仍遠未達到表1所示的15MV/cm左右的理論值。 形成未摻雜的AlN層和高濃度n型Al+0.7Ga0.3N采用金屬有機氣相外延生長(cháng)（MOVPE）的高質(zhì)量AlN（0001）襯底上的N層，在400nm厚的層中，AlN的摩爾分數（MF）從70%逐漸提高到95%，形成n型DPD區。然后，將MF從95%線(xiàn)性降低到70%和30%，形成p型DPD區域。最后，在鎂摻雜下獲得了高濃度p型GaN層。在頂部高濃度p型GaN層和底部高濃度n型Al++++++0.7Ga0.3N層，用于制造p-n結二極管。 圖1：在名古屋大學(xué)測試氮化鋁（AlN）二極管（來(lái)源：名古屋大學(xué)） 下一步是制造一個(gè)二極管，該二極管的結層為100%AlN，而不是95%。根據計算，一層僅2微米厚的AlN就足以阻擋3kV的電壓。使用更高等級的AlN，導熱系數也可以顯著(zhù)提高。導熱能力在電力電子應用中至關(guān)重要，而AlGaN合金的導熱系數一般，低于50W/mK（瓦特/毫開(kāi)爾文）。如表1所示，純AlN為319W/mK，與4H-SiC相差不遠。 在證明了AlN垂直二極管在極化誘導摻雜工藝中是可行的之后，下一步是實(shí)現垂直結構晶體管，以與SiC MOSFET或GaN HEMT競爭。根據名古屋論文的合著(zhù)者IEEE成員Takeru Kumabe的說(shuō)法，“基于A(yíng)lN的垂直異質(zhì)結雙極晶體管由兩個(gè)p-n結組成，具有良好的功率和面積效率，是我們的目標器件，我們要實(shí)現的夢(mèng)想1，”Kumabe補充說(shuō)：“為了實(shí)現夢(mèng)想，需要更好地了解電荷遷移率、載流子壽命、臨界電場(chǎng)和固有缺陷。”1. The New, New Transistor – IEEE Spectrum
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