Нитрид алюминия – полупроводник будущего, превосходящий традиционные материалы

В последнее десятилетие в мире полупроводников одним из наиболее значимых событий стало то, что карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) обогнали традиционный кремний в сегменте силовой электроники, завоевав многомиллиардные доли рынка. Эти материалы с их превосходными характеристиками ставили под вопрос будущее SiC и GaN: кто же станет следующим ключевым полупроводником?

Теперь внимание учёных приковано к трём претендентам: оксиду галлия, алмазу и нитриду алюминия (AlN). У всех этих материалов есть как выдающиеся качества, так и недостатки, препятствующие их коммерциализации. Однако перспективы AlN резко улучшились благодаря разработке Нагойского университета в Японии, представленной на международной конференции IEEE по электронным устройствам (IEEE International Electron Devices Meeting) в Сан-Франциско.

Одно из ключевых преимуществ AlN — это его широкая запрещённая зона (bandgap). Например, у AlN этот показатель составляет 6,20 электрон-вольт, в то время как у GaN - 3,40, а у SiC - 3,26. Это означает, что материал может выдерживать очень сильные электрические поля, прежде чем произойдёт разрушение транзистора.

Основной проблемой с AlN было его легирование – внесение примесей для создания избытка зарядов. Однако были разработаны стратегии химического легирования AlN, что значительно расширило его потенциал. Интересен также метод легирования, не требующий химических примесей, который использует двумерный электронный газ.

В Нагойском университете был создан диод на основе сплава AlGaN, способный выдерживать электрическое поле в 7,3 мегавольт на сантиметр — примерно в 2 раза выше, чем у SiC или GaN. Диод также демонстрировал очень низкое сопротивление при проведении тока. Теоретический максимум электрического поля для устройства на AlN составляет около 15 мегавольт на сантиметр, а теплопроводность чистого нитрида алюминия весьма высока – 320 ватт на метр-кельвин (теплопродность сплава AlGaN составляет менее 50 ватт на метр-кельвин).

Диоды из нитрида алюминия

Теперь учёные считают, что коммерческая реализация транзисторов на основе AlN весьма вероятна. В их распоряжении уже есть транзисторы на основе AlN, но пока они не могут конкурировать с коммерчески доступными транзисторами на основе GaN или SiC. Однако с учетом последних достижений, коммерциализация таких устройств в 2030-х годах кажется вполне реальной. Такой прогресс в области полупроводников не только открывает новые возможности для промышленности, но и обещает значительное улучшение характеристик электронных устройств, что, безусловно, скажется на повседневной жизни.