第四代半導(dǎo)體取得重要進(jìn)展，兩類(lèi)核心器件指標(biāo)刷新紀(jì)錄

近日，深圳平湖實(shí)驗(yàn)室在第四代半導(dǎo)體氮化鋁（AlN）功率器件領(lǐng)域取得重要突破。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)外延結(jié)構(gòu)、歐姆接觸、鈍化與刻蝕等關(guān)鍵工藝的系統(tǒng)優(yōu)化，使兩類(lèi)核心器件——氮化鋁肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和氮化鋁/富鋁鎵氮高電子遷移率晶體管（HEMT）——的性能指標(biāo)均達(dá)到目前公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道的國(guó)際領(lǐng)先水平。

氮化鋁被認(rèn)為是第四代半導(dǎo)體的重要代表材料，兼具超寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高導(dǎo)熱率等優(yōu)勢(shì)，能夠在超高壓、高功率、高溫以及強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下穩(wěn)定工作。未來(lái)，其功率器件有望廣泛應(yīng)用于超高壓直流輸電、航空航天、深海探測(cè)、地下勘探等領(lǐng)域，為電力電子系統(tǒng)帶來(lái)更高效率、更小體積和更強(qiáng)可靠性。

SBD耐壓超5.4 kV，刷新同類(lèi)器件紀(jì)錄

在氮化鋁SBD研發(fā)中，團(tuán)隊(duì)圍繞器件制備流程進(jìn)行了全面優(yōu)化，對(duì)鈍化工藝、歐姆接觸退火條件以及刻蝕工藝進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試。值得關(guān)注的是，在未采用復(fù)雜終端結(jié)構(gòu)的情況下，基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)橫向AlN SBD器件實(shí)現(xiàn)了超過(guò)5.4 kV的擊穿電壓。

同時(shí)，該器件的功率巴利加優(yōu)值（FOM）超過(guò)0.19 MW/cm2，達(dá)到目前公開(kāi)報(bào)道的同類(lèi)器件最佳水平。SBD器件在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)整流與防止電流倒灌的作用，其耐壓能力和導(dǎo)通損耗直接關(guān)系到高壓電路的效率與可靠性。

AlN/富鋁鎵氮HEMT耐壓突破5.5 kV

另一項(xiàng)突破來(lái)自AlN/富鋁鎵氮HEMT器件。HEMT被視為高壓電路中的“高速開(kāi)關(guān)”，能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的快速通斷，對(duì)高壓、高頻功率轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)優(yōu)化了AlN/富鋁鎵氮異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量，并精準(zhǔn)控制歐姆接觸刻蝕深度、源漏退火條件以及鈍化與刻蝕工藝。最終，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的HEMT器件耐壓突破5.5 kV，F(xiàn)OM達(dá)到85600 W/mm，同樣刷新了當(dāng)前公開(kāi)文獻(xiàn)紀(jì)錄。

為第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)

業(yè)內(nèi)認(rèn)為，兩項(xiàng)成果不僅驗(yàn)證了氮化鋁在超高壓功率器件領(lǐng)域的巨大潛力，也表明我國(guó)在相關(guān)核心工藝上取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。此前，深圳平湖實(shí)驗(yàn)室已成功研制國(guó)內(nèi)首個(gè)AlN/富鋁鎵氮HEMT，此次進(jìn)一步將器件性能推向新的高度。

下一階段，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞材料缺陷控制、大尺寸外延生長(zhǎng)與制造等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開(kāi)展攻關(guān)，加快推動(dòng)氮化鋁功率器件從實(shí)驗(yàn)室研究走向工程化與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為我國(guó)高端功率半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)自主可控提供重要支撐。