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AlN晶体管——下一代半导体材料?

AlN(氮化铝)比SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)具有更低的损耗和更高的耐压。

近日,一家日本公司(NTT)表示,他们使用AlN(氮化铝)成功实现晶体管操作,这使AIN有望成为超越SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)的下一代功率半导体材料。AlN与氧化镓和金刚石一起被称为超宽带隙半导体,据说这是全球首个成功实现将其用作功率半导体所需的晶体管操作。kl2esmc

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每种半导体材料的电阻率和击穿电压性能指标kl2esmc

在物理性能方面,AIN比碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)具有更小的损耗和更高的耐压,因此可以形成高压高效的电源电路。AlN具有6.0eV的“带隙”,即导带和价带之间的能量差,与硅(Si)的1.1eV、SiC的3.26eV和GaN的3.4eV相比,这是非常大的。因此,它与金刚石半导体一起被算作“超宽带隙半导体”之一。kl2esmc

由于带隙大,介电击穿电场强度也高。如果能制造出功率器件,理论上功率损耗可以降低到SiC或GaN的一半以下。kl2esmc

高质量AlN半导体晶体管的电压源与电流源特性呈上升趋势和由于欧姆特性导致的极小的漏电流。此外,作为功率半导体稳压值也达到了1.7kv。kl2esmc

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AIN晶体管示意图kl2esmc

此外,还明确了AlN晶体管即使在高温下也能稳定工作。与传统的半导体材料不同,AlN晶体管在高温下的性能有所提高,在500℃时电流增加了100倍左右。此外,即使在500°C时,漏电流也可以被抑制到10-8A/mm的非常低的水平。kl2esmc

有三个技术点导致了这一成就。首先是高质量的AlN制造技术,通过开发独特的MOCVD技术,设计了一种原料气体供应方法,从而可以在高温下制造AlN晶体,开发了AlN晶体中残留的杂质和晶体,降低了缺陷密度。最后实现了具有世界上最高电子迁移率的高质量n型导电AlN半导体。kl2esmc

二是具有良好欧姆特性的电极形成技术。由于AlN与用作电极的金属材料具有较大的能量势垒,因此难以形成欧姆接触。因此,成功地通过在AlN上形成逐渐减少了Al组成的倾斜AlGaN层,并通过使易于形成欧姆接触的低Al组成的AlGaN与金属接触来获得良好的欧姆特性。kl2esmc

三是实现理想的快捷键特性。肖特基特性除了金属材料的种类外,还受半导体的结晶质量、金属与半导体的界面、欧姆电极侧的接触电阻等因素的影响。如上所述,NTT实现了高质量的AlN和良好的欧姆接触,从而产生具有良好整流效应的肖特基特性。kl2esmc

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