在能源轉換系統(tǒng)中對更高效率的不懈追求，加速了硅碳化物(SIC)和氮化鎵(GaN)等新材料的應用，這些材料滿足了以環(huán)境為導向的多億市場需求，如電動汽車(EV)、充電系統(tǒng)、可再生能源等。這兩種技術的主要區(qū)別特征是帶隙(或能隙)，以電子伏特(eV)為單位，SiC和GaN的帶隙分別為3.2 eV和3.4 eV，是主流硅材料的三倍。在帶隙遠高于5 eV的材料中，即超寬帶隙材料，我們可以找到金剛石、氧化鎵、鋁氮化物和立方氮化硼(見表1)。

　　能量帶隙為何如此重要

　　眾所周知，能量帶隙表示價帶中的電子必須獲得的能量，以躍遷至導帶，并在電場下自由移動，從而能夠產生電流流動，使二極管和晶體管等器件得以制造。高帶隙晶體管能夠承受更高的電場，因為原子鍵強度大。這一特性使得在高電壓下的開啟狀態(tài)電阻較低，相較于硅材料，減少了導電損耗，并幫助提高效率。這種性能與重要的電場參數(shù)有關，見表1，AlN和立方氮化硼的電場參數(shù)達到了最高值。

　　近年來，研究人員聚焦于氧化鎵、金剛石和鋁氮化物。這些材料都表現(xiàn)出了吸引人的特性，但也有一些不可避免的弱點，阻礙了它們的商業(yè)發(fā)展。然而，鋁氮化物憑借名古屋大學最近的技術進步脫穎而出，這一進展在去年12月于舊金山舉行的IEEE國際電子器件會議(IEDM)上得到了報道。

　　AlN的現(xiàn)有應用

　　鋁氮化物(AlN)是一種無毒材料，因其高熱導率和優(yōu)異的電絕緣性能而得到應用。除了其熱膨脹系數(shù)和電絕緣能力外，AlN陶瓷還對大多數(shù)熔融金屬(如銅、鋰和鋁)具有抵抗力。AlN是一種由65.81%的鋁和34.19%的氮組成的陶瓷材料。由于其特性，這種陶瓷在許多應用中得到了證明，如在深紫外頻率下工作的光電電子學。鋁氮化物還廣泛用于散熱器和熱擴散器、電絕緣體、硅晶圓處理及加工中，作為封裝基板(取代高度有毒的鈹氧化物和鋁土礦Al2O3)，以及作為光存儲介質中的介電層、微波封裝等。

　　AlN作為半導體材料

　　所有半導體都是基于化學摻雜雜質元素以實現(xiàn)其功能。當引入摻雜材料時，可以制造出n型或p型半導體，具體取決于這種操作是否產生了電子的負載超額或由于電子缺失而產生的正電荷(稱為孔)。市場上幾乎所有成功的器件都是由這種摻雜半導體組成，層疊在一起。最基礎的半導體結構是p-n結，帶有兩個端子或稱為二極管。

　　有一些復合半導體含有元素來自周期表的第三組和第五組——例如氮化鎵——它們具有一種不尋常但可利用的特性。在兩個特定半導體如GaN和AlGaN交界面處，它們可以自發(fā)地產生極為移動的二維電子氣(2DEG)，即使沒有化學摻雜。氮的電負性高于鎵和鋁，導致凈電荷偏移或電自發(fā)極化，即不同區(qū)域具有相反電荷。此外，由于晶格失配產生的機械應力通過壓電效應造成額外的極化。換句話說，這種效應通過簡單地拉伸晶格生成電荷，這是一種稱為極化摻雜的替代摻雜方式。這兩種極化共同作用，創(chuàng)造出凈正電荷。但為了電荷中性，界面處會出現(xiàn)相同量的負電荷，這正是高導電性的2DEG。

　　AlN結與極化誘導(Pi)摻雜

　　上述論文由七位合著者撰寫，其中一些來自名古屋大學，包括2014年因發(fā)明藍光LED而獲得諾貝爾獎的天野浩。該論文描述了通過在鋁氮化物中實施無摻雜分布極化摻雜技術(更確切地說是由AlN和GaN的混合物組成的鋁鎵氮化物(AlGaN)合金)實現(xiàn)二極管的過程?；A的摻雜技術是獨特的極化誘導(Pi)摻雜方案，這使得在沒有雜質摻雜劑的情況下產生高遷移率的2DEG。最近，也有報道稱在未摻雜的GaN/AlN結構中發(fā)現(xiàn)了二維孔氣(2DHG)。除了通過異質結界面極化不連續(xù)性生成二維載流子外，基于極化的體型或分布極化摻雜(DPD)也可以通過線性梯度結構中的恒定極化梯度獲得三維電子氣和孔氣。

　　與其他二極管類似，該器件具有一個p摻雜區(qū)域和一個n摻雜區(qū)域，即一個結。對于這兩個區(qū)域，摻雜都是通過分布極化摻雜技術實現(xiàn)的。他們通過在每個摻雜區(qū)域內創(chuàng)建AlN與GaN的比例梯度，來實現(xiàn)不同的n型和p型極化。最大的創(chuàng)新在于，摻雜是n型或p型，僅僅取決于梯度的方向。作者證明了基于鋁氮化物合金的二極管能夠承受7.3兆伏每厘米的電場，約是SiC或GaN可能承受的兩倍。這一數(shù)值令人印象深刻，但仍遠未達到理論值約15 MV/cm(見表1)。

　　二極管制造的簡化步驟

　　在高質量AlN(0001)基板上，通過金屬有機氣相外延生長(MOVPE)形成未摻雜的AlN層和高濃度的n+-型Al0.7Ga0.3N層后，將AlN的摩爾分數(shù)(MF)從70%逐漸提高到95%，以形成n型DPD區(qū)域，厚度為400納米。然后，MF通過兩個步驟線性降低，從95%到70%和30%，以形成p+-型DPD區(qū)域。最后，經過鎂摻雜實現(xiàn)高濃度的p++-型GaN層。在頂部高濃度p++-型GaN層和底部高濃度n+-型Al0.7Ga0.3N層上形成電極，制造p-n結二極管。

　　下一步是制造一個二極管，其結處的AlN層為100%，而不是95%。根據一些計算，僅需2微米厚的AlN層即可阻擋3 kV的電壓。隨著更高等級的AlN，熱導率也可能顯著提高。在功率電子應用中，導熱能力至關重要，而AlGaN合金的熱導率平庸，低于50 W/mK(瓦特每米-開爾文)。如表1所示，純AlN的熱導率為319 W/mK，與4H-SiC相差不遠。

　　未來發(fā)展

　　在證明鋁氮化物垂直二極管的極化摻雜過程可行之后，下一步是實現(xiàn)垂直晶體管，以與SiC MOSFET或GaN HEMT競爭。名古屋論文的合著者、IEEE會員熊部岳表示：“基于鋁氮化物的垂直異結雙極晶體管，由兩個p-n結組成，并展現(xiàn)出良好的功率和面積效率，是我們目標設備，我們的夢想，希望能實現(xiàn)?！毙懿垦a充道，為了實現(xiàn)這一夢想，需要進一步了解電荷遷移率、載流子壽命、臨界電場和內在缺陷。

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