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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

氮化铝的研究历史

氮化铝是一种综合性能优良的陶瓷材料，对其研究可以追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年发现的，并于1877年由J.W.MalletS首次合成了氮化铝，但在随后的100多年并没有什么实际应用，当时仅将其作为一种固氮剂用作化肥。

由于氮化铝是共价化合物，自扩散系数小，熔点高，导致其难以烧结，直到20世纪50年代，人们才首次成功制得氮化铝陶瓷，并作为耐火材料应用于纯铁、铝以及铝合金的熔炼。自20世纪70年代以来，随着研究的不断深入，氮化铝的制备工艺日趋成熟，其应用范围也不断扩大。尤其是进入21世纪以来，随着微电子技术的飞速发展，电子整机和电子元器件正朝微型化、轻型化、集成化，以及高可靠性和大功率输出等方向发展，越来越复杂的器件对基片和封装材料的散热提出了更高要求，进一步促进了氮化铝产业的蓬勃发展。

氮化铝特征

1、结构特征

氮化铝(AlN)是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物，晶格参数为a=3.114，c=4.986。纯氮化铝呈蓝白色，通常为灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族宽禁带半导体材料。

2、性能特征

氮化铝(AlN)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数、与硅匹配好等特性，不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相，尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域，其性能远超氧化铝。

3、性能参数

由以上数据可以看到，与其它几种陶瓷材料相比较，氮化铝陶瓷综合性能优良，非常适用于半导体基片和结构封装材料，在电子工业中的应用潜力非常巨大。

氮化铝的应用

1、压电装置应用

氮化铝具备高电阻率，高热导率(为Al2O3的8-10倍)，与硅相近的低膨胀系数，是高温和高功率的电子器件的理想材料。

2、电子封装基片材料

常用的陶瓷基片材料有氧化铍、氧化铝、氮化铝等，其中氧化铝陶瓷基板的热导率低，热膨胀系数和硅不太匹配；氧化铍虽然有优良的性能，但其粉末有剧毒。

一文读懂最具发展前景的陶瓷材料：氮化铝

在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中，氮化硅陶瓷抗弯强度最高，耐磨性好，是综合机械性能最好的陶瓷材料，同时其热膨胀系数最小。而氮化铝陶瓷具有高热导率、好的抗热冲击性、高温下依然拥有良好的力学性能。可以说，从性能的角度讲，氮化铝与氮化硅是目前最适合用作电子封装基片的材料，但他们也有个共同的问题就是价格过高。

3、应用于发光材料

氮化铝（AlN）的直接带隙禁带最大宽度为6.2eV，相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料，应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体，其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调，使其成为重要的高性能发光材料。

4、应用于衬底材料

AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此，AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。

另外，用AlN晶体做高铝（Al）组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。

5、应用于陶瓷及耐火材料

氮化铝可应用于结构陶瓷的烧结，制备出来的氮化铝陶瓷，不仅机械性能好，抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷，硬度高，还耐高温耐腐蚀。利用AlN陶瓷耐热耐侵蚀性，可用于制作坩埚、Al蒸发皿等高温耐蚀部件。此外，纯净的AlN陶瓷为无色透明晶体，具有优异的光学性能，可以用作透明陶瓷制造电子光学器件装备的高温红外窗口和整流罩的耐热涂层。

6、复合材料

环氧树脂/AlN复合材料作为封装材料，需要良好的导热散热能力，且这种要求愈发严苛。环氧树脂作为一种有着很好的化学性能和力学稳定性的高分子材料，它固化方便，收缩率低，但导热能力不高。通过将导热能力优异的AlN纳米颗粒添加到环氧树脂中，可有效提高材料的热导率和强度。

AlN掺钪可提高一倍功率

由于AlN材料在1200℃的高温下依然能够保持压电特性，所以AlN压电薄膜器件可以适应高温工作环境，而良好的化学稳定性也使其能够适应腐蚀性的工作环境。此外，AlN薄膜材料可以在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底及各种金属底电极材料上择优生长，在光电器件、电子元器件及MEMS等领域正得到广泛应用。

在已知滤波器压电材料中，AlN薄膜声波传播速度可达12000m/s（传统衬底材料低于4000m/s）。由于同时具有良好的化学和热稳定性，以及对外界环境如压力、温度、应力、气体等具有极高的灵敏性，且与常规硅基CMOS技术相兼容，AlN薄膜是5G高频SAW/BAW滤波器及MEMS传感器中最优秀的压电材料。特别是掺钪的AlN薄膜能大幅提升其压电系数，从而提高SAW/BAW的机电耦合系数，是新一代5G射频SAW/BAW滤波核心压电/衬底材料。

此前的研究证明，基于AlScN的晶体管在数据传输、卫星通信、雷达系统或自动驾驶等各种应用中前景广阔，特别是因为基于硅的器件在这些应用中正达到其物理极限。其主要原因是受摩尔定律限制，硅器件的尺寸已不能再减小，如果必须使用当前的硅技术处理不断增加的数据量，服务器机房将占用太大的面积，以至于在经济和生态上都无法维护。

于是，出现了所谓的HEMT（高电子迁移率晶体管），它是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）。上世纪70年代采用MBE（分子束外延）和MOCVD就制备出了异质结。直到1980年，富士通的三村隆史（Takashi Mimura）等人才发明了HEMT。HEMT结构成功的关键在于其所基于的材料。在AlN制备过程中掺杂钪生长的AlScN具有优异的性能，比其他材料具有更高的载流子浓度。未来，基于AlScN将实现更强大、更高效的HEMT。

毋庸置疑，AlScN是迄今为止最有前途的新材料，可以为AlN锦上添花。可以提高材料的机电耦合系数和压电系数，实现更有效的机械能-电能转换，从而提高射频元器件的工作效率。不过，高钪原子浓度的压电AlScN晶体相的不稳定性一直是工业上的一个问题，因为在生长过程中通常会出现从纤锌矿型结构到立方盐结构的相变，导致分离。因此，压电AlScN晶相的不稳定性一直是阻碍该材料商用的主要问题。

由于质量和生产方面的原因，IAF以前的制造过程都以失败告终。之前是利用最先进的生产工艺通过磁控溅射生长AlScN层，但不幸的是，这些层的质量不足以满足LED和大功率晶体管等电子应用的要求。另一种方法是通过MBE制备AlScN。通过该工艺，化合物中可掺入大量钪，质量也足以生产微电子器件。然而，这一过程非常复杂，对于工业规模的生产来说，生产率太低。

MBE和MOCVD工艺可以制备出质量相对较高的薄膜，但晶体质量仍需提高，以满足工业要求。同时，用这两种方法制备AlScN的过程非常复杂，可扩展性太低，不适合工业化生产。

IAF小组组长Stefano Leone博士解释道：“通过MOCVD生产AlScN不仅可保证必要的质量，而且可保证工业应用的足够生产率。我们知道以前其他科学家通过MOCVD生产AlScN的尝试已经失败。我们还知道，世界各地的许多科学家都在致力于开发AlScN晶体管，但在我们之前，还没有人通过MOCVD成功地实现这一目标。”

在MOCVD过程中，首先引导气体穿过加热的晶圆。通过热暴露，让不同的分子从气体中释放出来，并整合到晶圆的晶体结构中。通过调节气体流量、温度和压力，可以精确调节晶体结构。此外，气体的快速变化允许在晶圆顶部生长不同的材料层。

研究人员面临的挑战是：钪没有气体来源。它是一种稀土元素（原子序数21），银白色，质软，用来制造特种玻璃、轻质耐高温合金等。钪的分子（前体）非常大，很难进入气相。“我们研究了钪的最佳前体，并计划对MOCVD反应器进行必要的程序调整。我们做了大量的研究，直到我们开发了一个我们现在正在申请专利的装置。我们成功地通过MOCVD生长了具有非常高晶体质量和适量钪的AlScN层，以便开发下一代功率晶体管”，Leone对这一成就感到高兴。

在MOCVD系统中成功沉积AlScN后，第一批晶体管用AlScN层被制备出来。这些层已经达到了很有希望的结果，其薄层电阻率约为200ohm/sq，迁移率约为600cm²/Vs，载流子密度约为4.0×1013cm-2。科学家目前的目标是降低薄层电阻，进一步提高迁移率和材料质量。这将提高未来晶体管的性能，为工业电力电子应用提供AlScN HEMT的目标迈出重要一步。

“我们正在追求的半导体技术和我们已经在IAF获得的很多经验，有潜力通过更好的匹配、更高的增益和更高的功率密度从根本上提高集成电路的功率效率，”Quay解释道。由于其高载流能力，AlScN比硅、GaAs和AlGaN/GaN等成熟半导体具有显著优势。基于这种材料，在新的蜂窝频率中可以将放大器级的功率效率至少提高一倍，并将功率转换器的损耗减半。

文章来源： 前沿材料，宽禁带联盟