尚属起步阶段的AlN半导体,应用前景如何

尚属起步阶段的AlN半导体,应用前景如何

2021-11-08 12:11:46 0
[导读]  AlN材料具有很高的直接带隙(6.2eV),是重要的蓝光和紫外发光材料;AlN介电常数小,具有良好热导率、高电阻率和击穿场强。

(来源:中国粉体网)

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按照推出时间早晚划分,半导体材料目前已经划分到了第三代。


第一代是从集成电路发明开始,最先晶体管是锗材料,后面发展成硅材料。第二代半导体材料是20世纪八九十年代推出的砷化镓和1990年后才开始真正用到了产业上的磷化铟材料。



 

2000年以后,主要是第三代半导体材料,以氮化镓和碳化硅为主。2005年以后开始出现超宽禁带半导体,上图横轴为材料引入时间,纵轴为材料的禁带宽度,禁带宽度在4eV以上的材料称为超宽禁带,包括目前比较典型的氧化镓、金刚石和氮化铝。

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氮化铝半导体材料及应用


AlN材料具有很高的直接带隙(6.2eV),是重要的蓝光和紫外发光材料;AlN介电常数小,具有良好热导率、高电阻率和击穿场强。

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4种超宽禁带半导体材料性能


1、主要应用方向


(1)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。



(3)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。


(4)AlN具有很高的非线性光学系数,可应用于二次谐波发射器。


2、研究热点


围绕其广泛的应用方向,国际上对AlN研究的热点主要包括以下几个方面:


(1)AlN外延及制备技术;


(2)AlN基器件衬底技术;


(3)AlN接触和掺杂层技术;


(4)深紫外(DUV)电子器件应用的AlN功能层特性;


(5)AlN深紫外LED和传感器技术;


(6)AlN深紫外激光器及其应用;


(7)使用AlN材料的电子器件技术(HEMT、功率器件和高频器件);


(8)AlN材料的新应用(压电器件、太赫兹器件、高温电子器件等)。


比碳化硅更高级?


辑认为,将氮化铝与碳化硅放在一起比较意义不是很大。我们首先应该知道,半导体的“代”不是替代关系,而是同时存在的关系,各自应用范围不同。比如CPU芯片,可能会一直使用第一代半导体材料。所谓第一代、第二代、第三代半导体,都是指的半导体材料,分别应用于不同的产品和场景。而当前最广泛用于高电压、大功率的射频设备半导体材料仍是碳化硅。

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来源:超宽禁带半导体材料——氮化铝单晶.人工晶体学报


尽管氮化铝作为超宽禁带半导体材料在某些方面如超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域的应用要优于碳化硅,但只是应用领域不同而已,难以说是取代与被取代的关系。


AlN单晶的制备方法


AlN单晶的制备方法主要包括分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)和物理气相传输(PVT)法等。其中HVPE、MOCVD和MBE法多用来制备薄膜,HVPE生长速度快(100μm/h),几乎是MOCVD和MBE法的100倍,适合制作较厚的AlN薄膜。




AlN在器件中的应用


AlN主要用于微波毫米波器件、SAW器件、紫外/深紫外LED以及电力电子器件。其中AlN紫外LED的输出功率已达到实用化需求,紫外/深紫外探测器仍在研制阶段,中功率吉赫兹级通信用HEMT和SAW/体声波(BAW)压电器件正步入实用化阶段。此外,AlN大功率电力电子器件进入快速发展期,新型AlN器件如MEMS器件、太赫兹器件、高温器件等处于不断探索和开发中。


参考来源:

[1]何君等.超宽禁带AlN材料及其器件应用的现状和发展趋势

[2]李军男等.超宽禁带半导体材料的机遇与挑战

[3]郝跃.宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展



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