谁将是下一代功率半导体？名古屋大学的研究人员：对于高压控制，氮化铝（AlN）将难有敌手

   谁将是下一代新的功率半导体？

随着现代社会对电力需求的不断增加，电力系统的可靠性、高效性和可持续性成为当今电力工程领域亟待解决的核心问题。

一代材料，一代设备，一代器件。功率半导体，作为电力电子领域的重要组成部分，扮演着关键的角色，其应用范围涵盖了电力变换、传输、可再生能源集成、电动汽车充电等多个领域。

半导体材料的革新对于行业具有颠覆性影响。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚石（Diamond）等为代表的（超）宽禁带半导体相比于传统硅材料（Si）在开关效率、尺寸、频率等功率器件关键性能指标上优势明显，但谁将是下一代新的功率半导体材料？

名古屋大学的研究人员表示，对于高压控制，氮化铝（AlN）将难有敌手。

长期以来，氮化铝（AlN）一直吸引着半导体研究人员。

功率半导体最重要的特征之一就是其带隙。用宽带隙半导体制成的晶体管能够在材料失效和晶体管损坏之前承受非常强的电场。氮化铝（AlN）的带隙高达6.20eV，优于镓氮化物的3.40eV和碳化硅(SiC)的3.26eV。使用硅（Si）、碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)等材料作为功率半导体时，在功率半导体通电及反复打开关闭开关时，电会变为热而逃逸，因此会产生电力损失。理论上，氮化铝比硅等的电力损失更小，但难以制作元器件，一直没有被用于实证。

这主要是因为，氮化铝（AlN）一直存在一个问题，那就是掺杂。

即其中附着了杂质元素，会使半导体产生过量电荷，从而使其携带电流。过多的电荷可以是电子，让半导体成为“n型”，也可以是电子缺乏导致的“空穴”，让半导体成为“p型”。化学掺杂氮化铝（AlN）的策略是最近几年才出现的，研究人员对其有效性尚存争议。几乎所有在商业上取得成功的器件都是由化学掺杂的半导体组成的。

但是事实证明，这种杂质掺杂并不是掺杂半导体的唯一方法。有些基于元素周期表中第III族和第V族元素（如氮化镓）化合物的半导体有着非同寻常的显著特性。在两个这种半导体接触的边界处，它们会自发地产生一个由极易移动的电荷载流子组成的二维池。这个二维池被称为二维电子气，是从晶体中的内部电场产生的，并没有化学掺杂。

  诺贝尔获奖者天野浩团队成功制备出下一代氮化铝基功率半导体

名古屋大学天野浩教授团队，因为发明蓝色发光二极管，于2014年获得诺贝尔奖。

此次，该团队在先前成就的基础上，实现氮化铝（AlN）无掺杂剂分布式极化掺杂技术，这种方法被称为分布式偏振掺杂（DPD），在空间上改变氮化物的量（混合），成功开发了一种新型AlN基材料，即一种由氮化铝和氮化镓混合物组成的氮化铝镓合金（AlGaN）。

也就是说，掺杂是通过在合金中确定氮化铝（AlN）相对于氮化镓（GaN）的百分比梯度来实现的。掺杂是p型还是n型简单地取决于梯度的方向。通过使氮化铝镓（AlGaN）中的铝(Al)和镓(Ga)的比率逐渐变化，就会产生正、负电荷出现的“极化”效果。由此，半导体中的电子或空穴聚集，能够使作为绝缘体的氮化铝镓（AlGaN）成为p型或n型。

利用这种“极化掺杂法”的方法，研究小组首次成功地在氮化铝基板上制作了pn结二极管的半导体器件，使其具有与添加杂质的半导体同样的导电性能来工作。研究中，采用金属有机气相外延生长（MOVPE ，在高质量AlN（0001）衬底上形成未掺杂的AlN层和高浓度n型Al 0.7 Ga 0.3 N层后方法）然后，在顶部高浓度p型GaN层和底部高浓度n型Al 0.7 Ga 0.3 N层上形成电极，制造pn结二极管。

为了检验其半导体特性，对其施加电场，实验测试结果表明，AlGaN具有优异的电流-电压特性、电压-电容特性和发光特性，尤其是电流-电压特性显示出优异的耐高电压性。针对其高击穿电压特性，该研究团队测试了其介电击穿场强，结果为7.3MV/cm，这是AlN基pn结介电击穿场强的世界最高测量值。相比较下，是传统Si半导体的约25倍，是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的约2倍。

当AlN这种具有优异性能的半导体实用化时，电力变换的损失将会变少，更加节能。这也为应用于手机基站、雷达、通信卫星等下一代通信奠定基础。

天野教授说：“希望这项技术应用于探索再生能源和高电压下的交流电力输电系统等在电网中的应用。”。

名古屋大学的须田淳教授表示：“此次的成果表明氮化铝的品质良好。希望大约5年后，发布多种元器件”。

名古屋大学的研究人员隈部高石武：“我们相信，利用分布式极化掺杂技术实现具有商业竞争力的（功率晶体管）是可能的……我们的目标器件是基于氮化铝的垂直异质结双极晶体管，它由两个p-n结组成，具有良好的功率和面积效率。这也是我们要实现的梦想。”他说，他们希望在未来3到5年内解决一系列问题，并在21世纪30年代实现基于氮化铝的功率器件的商业化。

该研究主要使用旭化成子公司Crystal IS开发的高品质AlN单晶基板，名古屋大学与旭化成共同开发的AlN薄膜晶体生长技术，名古屋大学能源转换实验设施（C-TEFs))的下一代半导体洁净室是通过器件形成技术实现的。

该成果于2月26日刊登在美国电气电子学会“电子交易”电子版上。