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氮化鋁(AlN):在功率半導體行業中嶄露頭角的超寬帶隙(UWBG)技術

氮化鋁(AlN):在功率半導體行業中嶄露頭角的超寬帶隙(UWBG)技術

編輯:轉自:先進陶瓷展 發布時間:2024-04-19

對能源轉換系統效率的不懈追求加速了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新材料的采用,這些材料滿足了數十億的市場需求,包括電動汽車(EV)、充電系統、可再生能源等以環境為重點的應用。這兩種技術的主要區別特征之一是帶隙(或能隙),以eV表示,SiC和GaN的帶隙分別為3.2eV和3.4eV,是主流硅材料的三倍。在帶隙遠高于5eV的材料(即UWBG)中,我們發現了金剛石、氧化鎵、氮化鋁和立方氮化硼,見表 1。

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                                                                                      表1:WBG和UWBG材料的物理特性
為什么能隙缺口如此重要
    眾所周知,能隙表示價帶的電子必須獲得的能量才能跳到導帶,在那里它可以在電場作用下自由移動并產生電流,因此可以制造二極管和晶體管等器件。高帶隙晶體管可以承受更高的電場,因為其原子鍵很強。與硅相比,這種特性可降低高電壓下的導通電阻,從而最大限度地減少傳導損耗并有助于提高效率。這種性能與臨界電場參數有關,見表1,AlN和c-BN達到最高值。
    最近,研究人員專注于氧化鎵、金剛石和AlN。它們都表現出吸引人的屬性,但也不可避免地存在迄今為止阻礙其商業發展的弱點。然而,由于名古屋大學在去年12月于舊金山舉行的IEEE國際電子器件(IEDM)活動上匯報的最新技術進展,AlN成為其它材料的潛在競爭者。
今天已經使用AlN的地方
    氮化鋁(AIN)是一種無毒材料,因其高導熱性和出色的電絕緣性能而被使用。除了熱膨脹系數和電絕緣能力外,AlN陶瓷還能抵抗大多數熔融金屬(如銅、鋰和鋁)的侵蝕。AlN是一種陶瓷材料,由65.81%的Al和34.19%的N組成。由于其特性,這種陶瓷已被證明可用于許多應用,例如在深紫外頻率下工作的光電子器件。氮化鋁還廣泛用于散熱器和散熱器、電絕緣體、硅晶圓處理和加工等應用,作為封裝基板(代替劇毒的氧化鈹和氧化鋁),作為光存儲介質、微波封裝等中的介電層。
AlN作為半導體材料
    所有半導體都是基于雜質元素的化學摻雜來操作的。當插入摻雜材料時,可以產生n型或p型半導體,這取決于該步驟是否產生過量的負電荷載流子、電子或來自電子不足的正電荷,稱為空穴。市場上幾乎所有成功的器件都是由這種摻雜半導體夾在一起的。原始半導體結構是連接兩個端子或二極管的p-n 結。
    有一些化合物半導體含有元素周期表的III族和V族元素,例如氮化鎵,它們具有不尋常但易于利用的特性。在兩種特定半導體相遇的界面上,例如GaN和AlGaN,即使沒有化學摻雜,它們也可以自發產生具有極強移動電荷載流子的二維電子氣體(2DEG)。氮具有比鎵和鋁更高的電負性,導致凈電荷位移或電自發極化,即相反電荷的不同域。此外,晶格失配引起的機械應力會因壓電效應而導致額外的極化。換句話說,這種效應僅通過拉緊晶格來產生電荷,這是一種稱為極化摻雜的另一種摻雜形式。這兩種類型的極化同時產生凈正電荷。但為了實現電荷中性,在界面處彈出相同數量的負電荷,這正是高電導率 2DEG。
AlN結和極化誘導(Pi)摻雜
    上面提到的論文是由七位合著者組成的團隊撰寫的,其中一些來自名古屋大學,包括因發明藍色LED而獲得2014年諾貝爾獎的天野浩。本文描述了通過在氮化鋁或更準確地說是由AlN和GaN的混合物組成的氮化鋁鎵合金(AlGaN)中實現無摻雜分布偏振摻雜技術來實現二極管的方法?;A摻雜技術是獨特的極化誘導(Pi)摻雜方案,可產生高遷移率的2DEG,不含雜質摻雜。最近,在未摻雜的GaN/AlN結構中也報道了一種二維空穴氣體(2DHG)。除了從異質結界面上的極化不連續性產生二維載流子外,還可以從線性梯度結構中的恒定極化梯度中獲得具有恒定體積濃度的三維電子氣體和空穴氣體的Pi體或分布極性摻雜(DPD)。
    與任何其他二極管一樣,該器件具有p摻雜區域和n摻雜區域或結。對于這兩個地區,摻雜都是通過分布式極化摻雜技術實現的。通過在每個摻雜區域中建立合金中AlN與GaN百分比的梯度來實現不同的n型和p型極化。最大的創新在于摻雜是n型還是p型,僅取決于梯度的方向。作者證明,基于氮化鋁合金的二極管能夠承受每厘米7.3兆伏的電場,大約是SiC或GaN的兩倍。這個值令人印象深刻,但仍遠未達到表1所示的15MV/cm左右的理論值。
簡化二極管制造步驟
    形成未摻雜的AlN層和高濃度n型Al+0.7Ga0.3N采用金屬有機氣相外延生長(MOVPE)的高質量AlN(0001)襯底上的N層,在400nm厚的層中,AlN的摩爾分數(MF)從70%逐漸提高到95%,形成n型DPD區。然后,將MF從95%線性降低到70%和30%,形成p型DPD區域。最后,在鎂摻雜下獲得了高濃度p型GaN層。在頂部高濃度p型GaN層和底部高濃度n型Al++++++0.7Ga0.3N層,用于制造p-n結二極管。

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                                                        圖1:在名古屋大學測試氮化鋁(AlN)二極管(來源:名古屋大學)
    下一步是制造一個二極管,該二極管的結層為100%AlN,而不是95%。根據計算,一層僅2微米厚的AlN就足以阻擋3kV的電壓。使用更高等級的AlN,導熱系數也可以顯著提高。導熱能力在電力電子應用中至關重要,而AlGaN合金的導熱系數一般,低于50W/mK(瓦特/毫開爾文)。如表1所示,純AlN為319W/mK,與4H-SiC相差不遠。

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未來發展
    在證明了AlN垂直二極管在極化誘導摻雜工藝中是可行的之后,下一步是實現垂直結構晶體管,以與SiC MOSFET或GaN HEMT競爭。根據名古屋論文的合著者IEEE成員Takeru Kumabe的說法,“基于AlN的垂直異質結雙極晶體管由兩個p-n結組成,具有良好的功率和面積效率,是我們的目標器件,我們要實現的夢想1,”Kumabe補充說:“為了實現夢想,需要更好地了解電荷遷移率、載流子壽命、臨界電場和固有缺陷?!?/span>

參考文獻:
1. The New, New Transistor – IEEE Spectrum



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