在能源转换系统中对更高效率的不懈追求，加速了硅碳化物(SIC)和氮化镓(GaN)等新材料的应用，这些材料满足了以环境为导向的多亿市场需求，如电动汽车(EV)
、充电系统、可再生能源等。这两种技术的主要区别特征是带隙(或能隙)，以电子伏特(eV)为单位，SiC和GaN的带隙分别为3.2 eV和3.4 eV，是主流硅材料的三倍。在带隙远高于5 eV的材料中
，即超宽带隙材料，利发国际可以找到金刚石、氧化镓

、铝氮化物和立方氮化硼(见表1)。

　　能量带隙为何如此重要

　　众所周知
，能量带隙表示价带中的电子必须获得的能量，以跃迁至导带
，并在电场下自由移动，从而能够产生电流流动
，使二极管和晶体管等器件得以制造

。高带隙晶体管能够承受更高的电场，因为原子键强度大。这一特性使得在高电压下的开启状态电阻较低，相较于硅材料
，减少了导电损耗
，并帮助提高效率。这种性能与重要的电场参数有关，见表1
，AlN和立方氮化硼的电场参数达到了最高值
。

　　近年来，研究人员聚焦于氧化镓
、金刚石和铝氮化物
。这些材料都表现出了吸引人的特性
，但也有一些不可避免的弱点，阻碍了它们的商业发展。然而
，铝氮化物凭借名古屋大学最近的技术进步脱颖而出，这一进展在去年12月于旧金山举行的IEEE国际电子器件会议(IEDM)上得到了报道

。

　　AlN的现有应用

　　铝氮化物(AlN)是一种无毒材料
，因其高热导率和优异的电绝缘性能而得到应用。除了其热膨胀系数和电绝缘能力外
，AlN陶瓷还对大多数熔融金属(如铜
、锂和铝)具有抵抗力。AlN是一种由65.81%的铝和34.19%的氮组成的陶瓷材料
。由于其特性

，这种陶瓷在许多应用中得到了证明，如在深紫外频率下工作的光电电子学
。铝氮化物还广泛用于散热器和热扩散器、电绝缘体
、硅晶圆处理及加工中，作为封装基板(取代高度有毒的铍氧化物和铝土矿Al2O3)，以及作为光存储介质中的介电层
、微波封装等
。

　　AlN作为半导体材料

　　所有半导体都是基于化学掺杂杂质元素以实现其功能。当引入掺杂材料时，可以制造出n型或p型半导体
，具体取决于这种操作是否产生了电子的负载超额或由于电子缺失而产生的正电荷(称为孔)
。市场上几乎所有成功的器件都是由这种掺杂半导体组成
，层叠在一起。最基础的半导体结构是p-n结，带有两个端子或称为二极管
。

　　有一些复合半导体含有元素来自周期表的第三组和第五组——例如氮化镓——它们具有一种不寻常但可利用的特性。在两个特定半导体如GaN和AlGaN交界面处，它们可以自发地产生极为移动的二维电子气(2DEG)，即使没有化学掺杂
。氮的电负性高于镓和铝，导致净电荷偏移或电自发极化，即不同区域具有相反电荷。此外，由于晶格失配产生的机械应力通过压电效应造成额外的极化
。换句话说，这种效应通过简单地拉伸晶格生成电荷

，这是一种称为极化掺杂的替代掺杂方式。这两种极化共同作用

，创造出净正电荷。但为了电荷中性，界面处会出现相同量的负电荷，这正是高导电性的2DEG。

　　AlN结与极化诱导(Pi)掺杂

　　上述论文由七位合著者撰写，其中一些来自名古屋大学，包括2014年因发明蓝光LED而获得诺贝尔奖的天野浩
。该论文描述了通过在铝氮化物中实施无掺杂分布极化掺杂技术(更确切地说是由AlN和GaN的混合物组成的铝镓氮化物(AlGaN)合金)实现二极管的过程
。基础的掺杂技术是独特的极化诱导(Pi)掺杂方案，这使得在没有杂质掺杂剂的情况下产生高迁移率的2DEG
。最近
，也有报道称在未掺杂的GaN/AlN结构中发现了二维孔气(2DHG)
。除了通过异质结界面极化不连续性生成二维载流子外，基于极化的体型或分布极化掺杂(DPD)也可以通过线性梯度结构中的恒定极化梯度获得三维电子气和孔气。

　　与其他二极管类似，该器件具有一个p掺杂区域和一个n掺杂区域，即一个结。对于这两个区域
，掺杂都是通过分布极化掺杂技术实现的
。他们通过在每个掺杂区域内创建AlN与GaN的比例梯度，来实现不同的n型和p型极化。最大的创新在于
，掺杂是n型或p型
，仅仅取决于梯度的方向。作者证明了基于铝氮化物合金的二极管能够承受7.3兆伏每厘米的电场，约是SiC或GaN可能承受的两倍。这一数值令人印象深刻
，但仍远未达到理论值约15 MV/cm(见表1)。

　　二极管制造的简化步骤

　　在高质量AlN(0001)基板上
，通过金属有机气相外延生长(MOVPE)形成未掺杂的AlN层和高浓度的n+-型Al0.7Ga0.3N层后，将AlN的摩尔分数(MF)从70%逐渐提高到95%，以形成n型DPD区域，厚度为400纳米。然后，MF通过两个步骤线性降低，从95%到70%和30%
，以形成p+-型DPD区域。最后，经过镁掺杂实现高浓度的p++-型GaN层
。在顶部高浓度p++-型GaN层和底部高浓度n+-型Al0.7Ga0.3N层上形成电极，制造p-n结二极管。

　　下一步是制造一个二极管
，其结处的AlN层为100%，而不是95%。根据一些计算，仅需2微米厚的AlN层即可阻挡3 kV的电压
。随着更高等级的AlN，热导率也可能显著提高
。在功率电子应用中，导热能力至关重要，而AlGaN合金的热导率平庸，低于50 W/mK(瓦特每米-开尔文)。如表1所示，纯AlN的热导率为319 W/mK，与4H-SiC相差不远。

　　未来发展

　　在证明铝氮化物垂直二极管的极化掺杂过程可行之后，下一步是实现垂直晶体管
，以与SiC MOSFET或GaN HEMT竞争。名古屋论文的合著者
、IEEE会员熊部岳表示：“基于铝氮化物的垂直异结双极晶体管
，由两个p-n结组成，并展现出良好的功率和面积效率
，是利发国际目标设备，利发国际的梦想，希望能实现
。”熊部补充道

，为了实现这一梦想，需要进一步了解电荷迁移率
、载流子寿命、临界电场和内在缺陷。

利发国际科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片
，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。