NTT在全球首次确认了氮化铝（AlN）晶体管的正常工作。该公司开发出了采用有机金属化学气相沉积法（MOCVD）的高品质AlN半导体制作技术，以及具有良好的欧姆特性和肖特基特性的电极制作技术，并通过这些基础技术获得了此次的成果。另外NTT还确认，新开发的晶体管可以在500℃的高温下工作。超宽禁带半导体AlN的介电击穿电场大，是有助于功率器件实现超低损耗的材料。晶体管作为半导体功率器件被广泛应用于家电、电动汽车和工业设备等的功率转换，降低其损耗有助于削减耗电量，是实现碳中和的重要成果。
图1：各种半导体材料的固有导通电阻率和介电击穿电压的性能指标。（供图：NTT）
功率器件的半导体材料目前主要使用硅（Si），半导体材料采用介电击穿电场较大的宽禁带半导体有望降低功率器件的损耗及提高耐压。因此，目前正在开发采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体的功率器件。
如果能采用介电击穿电场比上述材料更大的超宽禁带半导体，就有望进一步提高功率器件的性能。这种超宽禁带半导体有AlN、金刚石和氧化镓（Ga2O3）。
其中，从理论上预测，如果能采用在半导体中最大介电击穿电场的AlN制作功率器件，可将电力损耗降至Si的5％以下、SiC的35％以下和GaN的50％以下。
AlN自一个多世纪前被合成以来一直作为绝缘体使用。2002年全球首次实现AlN半导体化的就是NTT，开拓了AlN作为半导体器件应用的可能性。
在超宽禁带半导体中，AlN具有可在适合工业用途的大面积晶圆上制作，以及通过与GaN形成异质结可制作多种元件结构等优点。然而，此前关于AlN功率器件的报告较少，也没有关于其特性的有名报告。
此次，NTT利用通过MOCVD法制作的高品质AlN半导体，成功运行了具有优异特性的晶体管。关于其电流-电压特性，在欧姆特性的作用下表现出线性度良好的电流上升和极小的漏电流。作为功率器件的性能非常重要的介电击穿电压也实现了1.7kV的高值。
此外研究还发现，AlN晶体管在高温下也能稳定工作。与以往的半导体材料不同，AlN晶体管在高温下性能会提高，在500℃的温度下电流约增至室温的100倍。
另外，即使在相同的温度下，漏电流也非常小，只有10-8A/mm。由此，AlN晶体管即使在500℃的温度下也表现出超过106的高开关电流比。
未来，NTT的目标是将AlN半导体应用于超低损耗和高耐压功率器件以及耐环境器件，通过形成异质结进一步提高其特性，并阐明器件在高温下的工作原理。
【论文信息】
期刊名称：IEEE Electron Device Letters
论文题目：High-Temperature Performance of AlN MESFETs With Epitaxially Grown n-Type AlN Channel Layers
DOI：10.1109/LED.2022.3141100
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
