氮化铝（AlN）：在功率半导体行业中崭露头角的超宽带隙（UWBG）技术
编辑：转自：先进陶瓷展
发布时间：2024-04-19
对能源转换系统效率的不懈追求加速了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新材料的采用，这些材料满足了数十亿的市场需求，包括电动汽车（EV）、充电系统、可再生能源等以环境为重点的应用。这两种技术的主要区别特征之一是带隙（或能隙），以eV表示，SiC和GaN的带隙分别为3.2eV和3.4eV，是主流硅材料的三倍。在带隙远高于5eV的材料（即UWBG）中，我们发现了金刚石、氧化镓、氮化铝和立方氮化硼，见表 1。
众所周知，能隙表示价带的电子必须获得的能量才能跳到导带，在那里它可以在电场作用下自由移动并产生电流，因此可以制造二极管和晶体管等器件。高带隙晶体管可以承受更高的电场，因为其原子键很强。与硅相比，这种特性可降低高电压下的导通电阻，从而最大限度地减少传导损耗并有助于提高效率。这种性能与临界电场参数有关，见表1，AlN和c-BN达到最高值。 最近，研究人员专注于氧化镓、金刚石和AlN。它们都表现出吸引人的属性，但也不可避免地存在迄今为止阻碍其商业发展的弱点。然而，由于名古屋大学在去年12月于旧金山举行的IEEE国际电子器件（IEDM）活动上汇报的最新技术进展，AlN成为其它材料的潜在竞争者。 氮化铝（AIN）是一种无毒材料，因其高导热性和出色的电绝缘性能而被使用。除了热膨胀系数和电绝缘能力外，AlN陶瓷还能抵抗大多数熔融金属（如铜、锂和铝）的侵蚀。AlN是一种陶瓷材料，由65.81%的Al和34.19%的N组成。由于其特性，这种陶瓷已被证明可用于许多应用，例如在深紫外频率下工作的光电子器件。氮化铝还广泛用于散热器和散热器、电绝缘体、硅晶圆处理和加工等应用，作为封装基板（代替剧毒的氧化铍和氧化铝），作为光存储介质、微波封装等中的介电层。 所有半导体都是基于杂质元素的化学掺杂来操作的。当插入掺杂材料时，可以产生n型或p型半导体，这取决于该步骤是否产生过量的负电荷载流子、电子或来自电子不足的正电荷，称为空穴。市场上几乎所有成功的器件都是由这种掺杂半导体夹在一起的。原始半导体结构是连接两个端子或二极管的p-n 结。 有一些化合物半导体含有元素周期表的III族和V族元素，例如氮化镓，它们具有不寻常但易于利用的特性。在两种特定半导体相遇的界面上，例如GaN和AlGaN，即使没有化学掺杂，它们也可以自发产生具有极强移动电荷载流子的二维电子气体（2DEG）。氮具有比镓和铝更高的电负性，导致净电荷位移或电自发极化，即相反电荷的不同域。此外，晶格失配引起的机械应力会因压电效应而导致额外的极化。换句话说，这种效应仅通过拉紧晶格来产生电荷，这是一种称为极化掺杂的另一种掺杂形式。这两种类型的极化同时产生净正电荷。但为了实现电荷中性，在界面处弹出相同数量的负电荷，这正是高电导率 2DEG。 上面提到的论文是由七位合著者组成的团队撰写的，其中一些来自名古屋大学，包括因发明蓝色LED而获得2014年诺贝尔奖的天野浩。本文描述了通过在氮化铝或更准确地说是由AlN和GaN的混合物组成的氮化铝镓合金（AlGaN）中实现无掺杂分布偏振掺杂技术来实现二极管的方法。基础掺杂技术是独特的极化诱导（Pi）掺杂方案，可产生高迁移率的2DEG，不含杂质掺杂。最近，在未掺杂的GaN/AlN结构中也报道了一种二维空穴气体（2DHG）。除了从异质结界面上的极化不连续性产生二维载流子外，还可以从线性梯度结构中的恒定极化梯度中获得具有恒定体积浓度的三维电子气体和空穴气体的Pi体或分布极性掺杂（DPD）。 与任何其他二极管一样，该器件具有p掺杂区域和n掺杂区域或结。对于这两个地区，掺杂都是通过分布式极化掺杂技术实现的。通过在每个掺杂区域中建立合金中AlN与GaN百分比的梯度来实现不同的n型和p型极化。最大的创新在于掺杂是n型还是p型，仅取决于梯度的方向。作者证明，基于氮化铝合金的二极管能够承受每厘米7.3兆伏的电场，大约是SiC或GaN的两倍。这个值令人印象深刻，但仍远未达到表1所示的15MV/cm左右的理论值。 形成未掺杂的AlN层和高浓度n型Al+0.7Ga0.3N采用金属有机气相外延生长（MOVPE）的高质量AlN（0001）衬底上的N层，在400nm厚的层中，AlN的摩尔分数（MF）从70%逐渐提高到95%，形成n型DPD区。然后，将MF从95%线性降低到70%和30%，形成p型DPD区域。最后，在镁掺杂下获得了高浓度p型GaN层。在顶部高浓度p型GaN层和底部高浓度n型Al++++++0.7Ga0.3N层，用于制造p-n结二极管。 图1：在名古屋大学测试氮化铝（AlN）二极管（来源：名古屋大学） 下一步是制造一个二极管，该二极管的结层为100%AlN，而不是95%。根据计算，一层仅2微米厚的AlN就足以阻挡3kV的电压。使用更高等级的AlN，导热系数也可以显着提高。导热能力在电力电子应用中至关重要，而AlGaN合金的导热系数一般，低于50W/mK（瓦特/毫开尔文）。如表1所示，纯AlN为319W/mK，与4H-SiC相差不远。 在证明了AlN垂直二极管在极化诱导掺杂工艺中是可行的之后，下一步是实现垂直结构晶体管，以与SiC MOSFET或GaN HEMT竞争。根据名古屋论文的合著者IEEE成员Takeru Kumabe的说法，“基于AlN的垂直异质结双极晶体管由两个p-n结组成，具有良好的功率和面积效率，是我们的目标器件，我们要实现的梦想1，”Kumabe补充说：“为了实现梦想，需要更好地了解电荷迁移率、载流子寿命、临界电场和固有缺陷。”1. The New, New Transistor – IEEE Spectrum
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