半导体 AlN：快速崛起的新 III 族氮化物市场|华清池内.com

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半导体 AlN：快速崛起的新 III 族氮化物市场

Dec 11, 2024

抽象的

氮化铝 (AlN) 因其优异的电学、光学和热性能而成为近期应用领域备受关注的材料，包括高性能电力电子、极端环境半导体器件、射频 (RF) 器件和深紫外 (DUV) 光电子学[1-3]。与其他常用半导体（即 Si、SiC、GaN 和 β-Ga2O3）相比，AlN 具有最高的临界电场和理论击穿电压，这使其具有最高的 Baliga 和 Johnson 品质因数 [3 ]。 AlN 也是商用衬底半导体中饱和速度和导热率最高的材料之一 [3]。然而，AlN 传统上只是绝缘体，无法通过大量掺杂转化为半导体。我们最近分别使用 Be 和 Si 掺杂剂证明了 p 型和 n 型 AlN 的大量体掺杂（载流子浓度高于 1018 cm-3 ）[1,2]。根据这些结果，我们还演示了 AlN PN 二极管的整流和 6 V 导通[2,3]。早期晶体管结构显示，n 沟道器件在 VDS=10V 时电流密度超过 350 mA/mm，p 沟道器件在 VDS=30V 时电流密度约为 30 mA/mm，预计很快会有显着的改进。鉴于支持 AlN 器件的现有基础设施以及具有高导热率的 6.1 eV 带隙材料可能实现的性能飞跃，预计 AlN 市场将快速发展，许多器件并行开发，从而降低总体生态系统成本并提供最高性能迄今为止的半导体平台。

介绍

为什么要开发另一个半导体生态系统？如表 1 所示，AlN 具有商用衬底的所有半导体中最大的带隙，几乎是当今两种最成功的宽带隙半导体 GaN 和 SiC 的两倍。这种更大的带隙使 AlN 的性能大幅跃升，同时具有最高的临界场以及巴利加和约翰逊的品质因数。 AlN 是目前已知的唯一用于深紫外光学器件（~200 nm 波长 LED、激光器和光电探测器）的半导体解决方案。在射频和功率开关电子器件中，与射频和功率电子器件中的主导厂商成熟的 GaN 和 SiC 宽带隙半导体相比，AlN 提供的不仅仅是器件性能的革命性改进。此外，AlN 与其弟弟 GaN 共享生态系统基础设施（衬底、外延工具、制造工具、供应链等），这使得开发成本只是半导体从婴儿期到成熟期通常所需成本的一小部分。然而，与 GaN 不同的是，存在一种强大的物理气相传输 (PVT) AlN 衬底技术（2 英寸很常见，4 英寸已展示但尚未出售），其已知的成本和时间模型借鉴了 SiC PVT 经验，建议 6-8如果需求需要进一步投资，晶圆可能会在 2030 年上市。最后，氮化铝今天已经出现，其开发只需要工程时间，不需要重大的技术突破。

新兴市场

AlN 存在三个明显的近期市场：光电子（特别是发射器）；开关电力电子设备；和射频电子产品。

光电

近年来，DUV LED 的目标目标是~270 nm，因为该波长很容易被病毒和细菌有机物吸收。该波长位于“消光曲线”的“a”峰值，描述了吸收强度和破坏病毒/细菌物种复制的趋势。然而，在 200 nm 附近的消光曲线中存在一个更敏感的峰，这表明对病毒和细菌物种的灭菌更有效，与 AlN 发射峰非常吻合。因此，AlN DUV LED 引起了人们极大的兴趣，但尚未得到证实。强深紫外光源的开发将使几乎任何表面都能进行光学消毒，而无需担心与人类的相互作用。 200 nm 光比 270 nm 光更安全，因为它被皮肤死皮层吸收，不易引起皮肤癌。

开关电力电子器件

在许多电子应用中，AlN 以其开关非常高电压器件的能力而独树一帜，因为现实情况是能力较差的半导体需要不切实际的器件厚度，而当前的外延技术很难实现 [3]。相反，AlN 需要 ~0.7 µm/kV ，使得数十kV的器件可以通过当今的外延工具实用。鉴于商业电力电子市场的保守采用地位，国防部将更有可能成为早期商业采用的候选者。高压 DC-DC、AC-DC 和 DC-AC 转换器对于未来的电子系统至关重要，包括寻求不断提高总线操作电压的电力电子构建模块 (PEBB) 模块化系统。对于 AlN，20 kV PEBB 理论上需要约 14 µm 的外延，而当前 SiC 技术需要 >70 µm 的外延，从而大大降低了成本和器件设计限制。此外，AlN 提高的转换频率将使相关电抗组件更小，更易于在针对 PEBB 的模块化系统中处理，从而降低系统尺寸。许多 kV 固态变压器也可以通过 AlN 启用或简化（单个器件开关而不是串联开关）。这些只是许多电源应用中的一部分，这些应用可以通过具有更高电压能力的半导体来实现，该半导体可以实现更高的电压，从而降低传导损耗，从而实现前所未有的实用单器件开关能力。

材料	E_G （电子伏特）	V_饱和（10⁷厘米/秒）	E_批判的 @10¹⁶cm^-3 (MV)	热的电导率 (W/m-K)	约翰逊 FOM （10¹²电压/电流）	可用的基材？	N型？	P型？	光排放 ?
Si	1.12	1.0	0.3	145	0.48	是的	是的	是的	No
碳化硅	3.26	2.0	3.1	第490章	10	是的	是的	是的	No
氮化镓	3.45	1.4	4.9	第253章	11	几乎	是的	是的	是的
β-Ga2O3	4.8	1.1	10.3	27	18	是的	是的	No	No
AlN(参数等级)	6.1 (#1)	1.3 (#3)	15.4 (#1)	第319章 (#2)	32 (#1)	是的	是的这个工作！	是的这个工作！	是的

射频电子

AlN 的性能非常接近 GaN，但在热性能、电压性能以及 p 型传导方面超过 GaN。饱和速度为 GaN 的 93%，电子迁移率已超过 400 cm² /V-sec [3]，AlN 在电流流动方面几乎没有放弃 GaN 的成熟能力。然而，AlN RF 电子器件的功率密度可以更高，因为其导热率高出 26%，可以有效地将热量从小型 RF 设备中散发出去。同样，由于对于给定的器件长度，AlN 可以处理高出 50% 的电压，因此与 GaN 相比，AlN 可以实现显着的功率效率。通过强调电压而不是电流来减少热量产生并提高导热性，预计将出现 >50 W/mm AlN RF 器件——这是一种惊人的能力。

因此，AlN 是一种快速新兴的半导体，由于低温、非平衡外延所实现的掺杂技术的突破，可以在功率开关、高温电子、射频电子和光电子领域提供巨大的短期应用。然而，与所有宽带隙半导体一样，AlN 的缺陷形成能为

取决于费米能级位置，费米能级位置由杂质和缺陷控制，而不是像 GaAs 和 Si 等材料那样由生长温度控制。因此，缺陷和杂质通常会导致自我补偿，这使得通过掺杂来实现导电性变得很麻烦。我们发现，通过控制生长过程中的表面化学，可以减少缺陷和杂质补偿，较低的补偿空位浓度是使用较低温度生长的关键驱动因素。与通常的理解相反，低温、富金属真空工艺比高温、富氮方法具有更长的扩散长度[3]。该功能可用于抑制硅-DX 中心的形成，而不会影响晶体质量。

此外，低温导致空位浓度呈指数降低。因此，对于 N 空位作为补偿施主的 p 型掺杂，低温生长对于实现 p 型导电性至关重要。当用 Si 施主进行 n 型掺杂 AlN 时，存在减少补偿 Al 空位的互补论点。第一原理计算将 AlN 价态分裂带确定为主要空穴带，并且由于其位于重空穴带和轻空穴带上方的异常位置，即使具有更深的隔离受主能量，也会在低于 GaN 的掺杂剂浓度下形成杂质带GaN 中经过充分验证的杂质带掺杂可以在更广泛的杂质浓度范围内应用于 AlN。这种反常能带结构有利于空穴迁移率远高于 GaN 的空穴迁移率。已实现空穴浓度约为 4.4 × 1018 cm-3 和电阻率 0.045 Ω-cm 的 P 型 AlN，以及电子浓度约为 6 × 1018 cm-3 和电阻率约为 0.02 Ω-cm 的 n 型 AlN。

此外，创建从孤立的受体和供体态扩展的杂质带的能力导致受体和供体的有效活化能估计分别为约 37 meV 和约 35-50 meV [3-4]，提供了大量的为下一代 AlN 单极电子、双极电子和光学器件带来希望。

P型承诺

对于相同的空穴浓度 (~4x10¹⁸ 厘米^-3 ），AlN 中的空穴迁移率约为 GaN 的 10 倍。这表明双极光学和互补电子技术（例如推挽级或数字逻辑）在 GaN 中不实用的前景。早期晶体管结构在 V 时显示出超过 350 mA/mm 的沟道电流密度_DS对于 n 沟道器件 =10V，V 时 ~30 mA/mm_DS=30V 对于 p 沟道器件，预计会有显着的改进。这意味着 p:n 型 AlN 晶体管的互补对布局几何不对称性仅为约 10:1，而 GaN 晶体管的互补对布局几何不对称性约为 100:1。虽然与 Si 技术相比仍然较大，但 10:1 的布局不对称性是可以管理的，从而在保持合理的封装密度的同时实现互补器件。

为什么p型AlN比p型GaN更好？

AlN 具有不寻常的能带结构，有利于 p 型传导。具体来说，在 AlN 中，分裂价带位于重空穴简并能带和轻空穴简并能带上方，使其成为与更深受体相互作用的主要能带（如参考文献 1-3 中使用的 Be）。这意味着分裂能带是通过杂质能带形成而形成的空穴的传输带[3]。由于该分裂能带比重空穴能带和轻空穴能带具有更强的曲率，空穴有效质量更小，使得该分裂能带的空穴迁移率更高[3]。此外，与 GaN 相比，较小的有效质量导致开始形成杂质带的掺杂剂浓度降低约 10 倍。这意味着与 GaN 相比，AlN 中的掺杂量较低，因此可以形成杂质能带（提高激活效率、提高空穴浓度）。

n型改进

虽然之前的 MOCVD 工作 [5-6] 在室温下电子浓度达到最大 ~1015 cm-3，但通过使用其他地方描述的低温合成方法 [2-3]，电子浓度高达 6x1018 cm-3已实现。这些非平衡低温方法在文献中得到了有前途的离子注入工作的补充，其中也实现了高电子浓度。两种方法的共同点是避免高温，高温会导致大量空位的产生，从而补偿施主掺杂并加剧 Si 与 N 的 c 轴键断裂的趋势[2-3]。虽然更高的掺杂浓度仍然是可能的，但目前证明的掺杂值足够高，足以与生长的（但不是等离子蚀刻的）材料形成良好的欧姆接触。

剩余的工程挑战

AlN 面临的主要挑战是基于工程的，而不是基于基础科学的。这意味着只要有足够的时间和资源，就可以应对所有挑战。剩下的挑战主要是需要提高掺杂重复性，因为 AlN 容易从真空环境中吸收杂质 [1-3]，并且需要改善与 AlN 的接触 [2-3]。如图 1 所示，根据标准电子亲和力模型，可用金属的范围与 AlN 的能量并不一致。大多数半导体的电子亲和势约为 4 eV。根据您相信的报告，AlN 的电子亲和势 χ 为 -0.2< χ <1.9电子伏特。这会导致一些接触异常。例如，在实验上，高功函数金属已用于 p 型（预期）和 n 型（非预期）接触 [1-3]。目前尚不清楚该策略起作用的原因，但它可能与强烈弯曲的肖特基势垒的形成有关，无论选择何种金属，从而允许形成隧道接触。当前海军支持的工作正在调查原因并提供改进的联系解决方案。

准垂直器件所需的等离子蚀刻层的接触（蚀刻以与埋入的 n 型层接触）比非蚀刻接触要差得多（> 100 倍差）[2-3]。需要并正在探索蚀刻后等离子体损伤和表面污染物的清理。使用数字蚀刻 [7] 和/或 GaN 不常见的常用等离子体化学物质可能会带来希望。虽然据作者所知，没有人致力于导电块状 AlN 基板的研究，但这一创新将导致光电子和功率开关电子领域迅速扩展应用，并绕过对准垂直器件和接触的需要到蚀刻表面。无需导电晶圆即可实现相同垂直导电目标的一种解决方案是采用外延剥离。然而，这种方法可能会限制整个器件面积，因此可能会影响高电流器件。

一种非常有前途的接触解决方案是使用成分梯度接触，但这仍然需要在 AlN 中实现。 Amano 等人 [8] 最近展示了高 Al 成分 AlGaN 二极管的成分梯度 n 型和 p 型接触层，其显示出 0.003 Ω-cm2 的显着比导通电阻。虽然乍一看这似乎很容易扩展到 AlN，但人们不太理解的事实是，偏振等级不会产生自由载流子，而只是吸引来自其他位置的自由载流子，这使得实现变得复杂。具体来说，需要大量的自由电子和空穴，从中吸引到极化渐变区域。通常，这些载流子源自表面态[9]。但在氮化铝中，表面态可以被氧化铝很好地钝化。因此，在渐变结构中达到 100% Al 成分可能更加困难。需要更多的研究。

结论

半导体 AlN（可大量掺杂的 AlN）的最新发展为未来的电子和光电器件带来了前所未有的性能。低温、非平衡方法已成功实现 n 型和 p 型传导的室温自由载流子浓度超过 4x1018 cm-3 的半导体 AlN，并导致了功能性 pn 二极管 [2-3] 和早期（不完整））晶体管具有令人印象深刻的前景。虽然有些领域仍有待探索，但接触改进是最迫切的需求，并且主要是一个工程挑战，而不是基础科学挑战。相反，需要努力通过导电体晶圆或外延剥离等后处理方法来创建垂直导电器件。

致谢

这项工作得到了海军研究办公室 (ONR) 多学科大学研究计划 (MURI) 计划的支持，题为“利用新的理论范式增强宽带隙电力电子器件中的界面热传输”，奖项编号为 N00014-17-S- F006 由 Lynn Petersen 上尉和 Mark Spector 博士管理。这项工作还得到了空军科学研究办公室（由 Ali Sayir 博士管理的 FA9550-21-1-0318 号奖项）和海军研究办公室（由 Ali Sayir 博士管理的 N00014-23-1-2013 号奖项）的部分支持。由林恩·彼得森上尉撰写。

参考

[1] H. Ahmad 和 W. A. Doolittle 等人，Adv.马特。 33, 2104497 (2021)。

[2] H. Ahmad 和 W. A. Doolittle 等，J. Appl。物理。 131, 175701 (2022)。

[3] W. A. Doolittle 等人，应用。物理。快报，V123 #7，(2023)

[4] C. M. Matthews 和 W. A. Doolittle 等人，Appl。物理。莱特。 V124 #5, 052102 (2024)。

[5] M. L. Nakarmi 等人，Appl。物理。快报，V85，3769，（2004）

[6] T. Ive 等人，应用。物理。快报，V86，024106，（2005）

[7] P. Shih 和 W. A. Doolittle 等人，Appl。物理。莱特。 V120 #2，022101，(2022)。

[8] T. Kumabe 等人，IEEE Trans。选。开发。抢先体验 2 月（2024 年）

[9] J. P. Ibbetson，应用。物理。快报，V77 #2，250–252 (2000)

缩写词

AlN：氮化铝