下一代新的功率半导体会是什么材料

对于高压控制，氮化铝将难有敌手。

过去十年里，半导体领域里最大的事件之一就是传统硅在电力电子领域黯然失色，碳化硅（SiC）和镓氮化物（GaN）占据了数十亿美元的市场份额。随着这些新材料在重要领域的应用，自然而然地出现了一个问题：下一代新的功率半导体会是什么材料？

人们的注意力集中在了镓氧化物、金刚石和氮化铝（AlN）上。这些材料都有着显著的特点，以及阻碍其在商业上获得成功的根本性弱点。不过，在2023年12月于旧金山举行的IEEE国际电子器件大会（IEDM）上，名古屋大学报告了相关技术进步，现在氮化铝的前景有了很大的改观。

在IEDM上，名古屋大学的研究人员介绍了一种基于氮化铝合金的二极管制造方法，这种二极管每厘米能够承受7.3兆伏的电场，大约是碳化硅或氮化镓的2倍。值得注意的是，这种器件传导电流的电阻非常低。

日本名古屋大学正在测试最先进的氮化铝二极管。

“这是一个了不起的成果。”乔治亚理工大学的电气与计算机工程教授、宽带隙半导体专家W. 艾伦•杜立特尔（W. Alan Doolittle）说。

氮化铝经久不衰的吸引力

长期以来，氮化铝一直吸引着半导体研究人员。功率半导体最重要的特征之一就是其带隙。用宽带隙半导体制成的晶体管能够在材料失效和晶体管损坏之前承受非常强的电场。氮化铝的带隙高达6.20电子伏，优于镓氮化物的3.40电子伏和碳化硅的3.26电子伏。

不过，氮化铝一直存在一个问题，那就是掺杂，即其中附着了杂质元素，会使半导体产生过量电荷，从而使其携带电流。过多的电荷可以是电子，让半导体成为“n型”，也可以是电子缺乏导致的“空穴”，让半导体成为“p型”。化学掺杂氮化铝的策略是最近几年才出现的，研究人员对其有效性尚存争议。几乎所有在商业上取得成功的器件都是由化学掺杂的半导体组成的。

但是事实证明，这种杂质掺杂并不是掺杂半导体的唯一方法。有些基于元素周期表中第III族和第V族元素（如氮化镓）化合物的半导体有着非同寻常的显著特性。在两个这种半导体接触的边界处，它们会自发地产生一个由极易移动的电荷载流子组成的二维池。这个二维池被称为二维电子气，是从晶体中的内部电场产生的，并没有化学掺杂。

一个有着诺贝尔奖血统的强大团队

21世纪初，美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员利用这种特性开发了一种称为分布式极化掺杂的技术。借助这种技术，研究人员在没有杂质掺杂剂的情况下获得了大批（三维）氮化镓的n型掺杂。团队成员包括了领导者优曼许•米什拉（Umesh Mishra，IEEE会士，现任加州大学圣芭芭拉分校工程系主任）、研究员德布迪普•耶纳（Debdeep Jena）、尤利娅•斯莫尔奇科娃（Ioulia Smorchkova）和邢慧丽。耶纳和邢慧丽都是IEEE会士，现在就职于康奈尔大学，二人于2010年在康奈尔大学演示了p型分布式极化掺杂，然后于2018年在康奈尔大学演示了无掺杂剂二维空穴气。

名古屋大学团队包括天野浩，他因为发明蓝色发光二极管于2014年获得诺贝尔奖。该团队在先前成就的基础上，实现氮化铝无掺杂剂分布式极化掺杂技术，更准确地说，他们实现的是一种由氮化铝和氮化镓混合物组成的氮化铝镓合金（AlGaN）。像任何二极管一样，他们的器件有一个p掺杂区和一个n掺杂区，两者之间有一个称为“结”的边界。这两个区域的掺杂都是通过分布式极化掺杂来实现的。更具体地说，掺杂是通过在合金中确定氮化铝相对于氮化镓的百分比梯度来实现的。掺杂是p型还是n型简单地取决于梯度的方向。

氮化铝二极管揭示了一种新型半导体的重大进展

“氮化铝镓合金的成分不是均匀的，而是以线性方式在空间上变化的。”耶纳说。在靠近阳极的一侧，p掺杂层开始是纯氮化镓；越靠近n掺杂层的结，氮化铝镓合金中氮化铝的百分比越高，直到在结处，其百分比达到95%；穿过n掺杂区后，随着与结的距离增大，氮化铝的百分比逐渐下降，从95%下降到最低70%时，该层与纯氮化铝基层接触。

“这是一种新的半导体器件概念。”耶纳说。他补充道，下一步是制造一种二极管，其结处是纯氮化铝层，而不是95%的氮化铝层。根据他的计算，仅2微米厚的氮化铝层就足以令人惊讶地阻挡3千伏电压。“不久的将来就会实现这一点。”他说。

耶纳和杜立特尔均表示，他们的终极目标是打造一种远远优于现有晶体管、可实现商业化的氮化铝功率晶体管。名古屋大学的研究工作表明，最终实现这一目标是毫无疑问的。“现在要解决的只是工程问题。”杜立特尔说。二人指出，名古屋大学的二极管是一种垂直器件，这是功率半导体的优选方向。

近年来，虽然已被证实的基于氮化铝的晶体管至少有6种，但这些晶体管都不是垂直器件，而且，也没有哪一种具备能够与商用氮化镓或碳化硅晶体管竞争的特性。此外，这些晶体管的关键部件都依赖氮化铝镓。

名古屋大学的研究人员隈部高石武在给本刊的电子邮件中写道：“我们相信，利用分布式极化掺杂技术实现具有商业竞争力的（功率晶体管）是可能的……我们的目标器件是基于氮化铝的垂直异质结双极晶体管，它由两个p-n结组成，具有良好的功率和面积效率。这也是我们要实现的梦想。”他说，他们希望在未来3到5年内解决一系列问题，并在21世纪30年代实现基于氮化铝的功率器件的商业化。

作者：Glenn Zorpette