行业 | 氮化铝单晶衬底大规模产业化临界点

--- 氮化铝（AlN）衬底技术的突破性进展，正使其成为新一代电子与光电子器件领域具有变革性潜力的关键材料。

BY KASEY HOGAN FROM CRYSTAL IS

原文标题
The tipping point for AlN

原文链接
https://compoundsemiconductor.net/article/121835/The_tipping_point_for_AlN

原文刊登于Compound semiconductors, Volume 31, Issue 4, Tuesday 20th May 2025

航天器电子设备的在轨部署正呈现指数级增长态势，为相关产业创造了显著的经济价值。然而，要在太空极端环境中实现可靠的市场应用面临严峻挑战——航天器需长期承受剧烈的温度交变与持续的空间辐射辐照，这使得射频器件与功率电子器件在执行任务全周期内难以维持稳定的高性能指标。此外，有效载荷质量的减量化设计已成为降低运载成本的关键路径，同时也是满足航空航天系统严苛的尺寸、重量及功耗约束条件的必要前提。

然而，在航天系统与地面系统等各类极端应用环境中，可靠性、效能与紧凑性始终构成核心设计准则——由此催生了对兼具高功率密度、高耐压特性及高频工作特性的高鲁棒性电子器件的迫切市场需求。

当前满足这些严苛性能要求的挑战，正推动业界对新半导体材料的探索。过去十年间，传统硅基器件已逐渐被碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这两种宽禁带半导体材料所取代——这些新材料不仅实现了更高功率密度，还显著改善了热管理性能，并支持宽带宽工作特性。然而，国防与航空航天领域仍不满足于此，其追求的是更卓越的性能表现。而有望实现这一目标的，正是氮化铝、金刚石和氧化镓（Ga₂O₃）等超宽禁带半导体材料。

在超宽禁带半导体材料体系中，AlN凭借其独特的材料特性，长期以来一直是学界与产业界重点关注的研究对象。通过迁移率、击穿电场强度、热导率等核心性能参数的综合表征分析，该氮化物材料展现出驱动新一代电子器件发展的巨大潜力。然而，其规模化应用仍面临双重技术挑战：一方面，高激活能导致的掺杂效率低下问题严重制约了载流子浓度的可控调节；另一方面，晶体生长过程中缺陷密度难以有效抑制，导致大尺寸（英寸级）高质量衬底制备始终未能实现突破。上述技术瓶颈的存在，曾使部分学者质疑AlN材料能否真正跨越从实验室研究到工程化应用的鸿沟。

然而，近期多项突破性研究进展正在颠覆既往认知：AlN材料在器件性能表征、工艺制备可行性及产业化应用前景等关键维度相继取得实质性突破。基于上述进展的系统评估，我们有充分依据认为，这一历经数十年系统性研究的氮化族化合物材料，已处于实现大规模集成电路制造应用的技术突破临界点。

数十年来，AlN器件在掺杂工程、欧姆接触制备及微纳加工制造等核心工艺环节长期面临关键性技术壁垒。这一技术困境的成因具有双重性：一方面源自AlN单晶衬底材料供给短缺与制造成本居高不下导致的产业化制约；另一方面则归因于材料本征特性——其6.2 eV的超大禁带宽度不仅导致掺杂过程需克服深能级载流子激活的技术障碍，更使得采用常规金属化工艺实现稳定欧姆接触面临显著挑战。值得注意的是，最新前沿研究进展证实，上述技术瓶颈已存在系统性突破路径。

AlN的另一独特优势在于其隶属于III族氮化物材料体系（包括GaN与AlGaN），这一特性使其在超宽禁带半导体材料家族中脱颖而出。基于该材料体系的共性特征，研究人员可开发组分比例调控范围极广的异质结构器件。更值得注意的是，此类器件能够直接外延生长于大尺寸AlN单晶衬底之上——该衬底不仅提供晶格常数高度匹配的物理基础（显著抑制位错缺陷密度），还可实现高效热管理性能，从而充分释放III族氮化物电子器件的本征性能潜力。随着氮化铝衬底制备技术的最新突破，这一技术愿景已从理论构想转化为产业现实。

晶体管外延结构及电极布局示意图，图中明确标注了源极（S）、栅极（G）、漏极（D）、再生势垒层（RB）、再生接触层（RC）以及二维电子气（2DEG）等核心功能区域的位置分布。

AlN单晶衬底商业化可行性

AlN除在航天领域展现应用潜力外，因其具备超高热导率、超宽禁带特性、低位错密度以及与其它III族氮化物晶格高度匹配等核心优势，长期以来被视为光电器件领域的关键使能技术。

基于上述材料特性优势，AlN单晶衬底已实现商业化紫外C波段发光二极管（UVC-LEDs）的规模化生产，现有制造体系可达成年产数千片直径2英寸单晶衬底的产业规模。随着光学级商用衬底的技术可行性获得业界公认，该材料现已被纳入电子器件研发的核心材料体系。

在氮化物半导体新兴领域实现技术突破的关键路径中，大尺寸（≥100 mm）、高结晶质量AlN单晶衬底的规模化制备已成为构建完整半导体产业生态的核心支撑要素。最新研究进展表明，Crystal IS公司已于上年度实现直径100 mm氮化铝单晶衬底的科研级批量化生产，并同步验证了材料品质参数提升与工艺可制造性优化的协同突破。此项具有里程碑意义的进展，正有力推动着全球范围内从基础学术研究到政府研发计划的多层次氮化铝基器件开发进程。当前国际产业界已启动规模化投资布局，着力构建涵盖原材料提纯、单晶生长、衬底加工等环节的氮化铝全产业链体系。尽管在充分发挥氮化铝材料本征性能优势方面仍存在若干关键技术瓶颈，但值得注意的是，近期国际研究团队已在氮化铝基新型晶体管结构领域取得两项突破性进展。下文将系统解析这两项具有标志性意义的创新成果。

氮化铝（AlN）器件技术突破

AlN单晶衬底的关键优势在于能够为富铝AlGaN外延层或厚层AlN结构提供理想生长衬底，相比传统宽禁带半导体材料，这些结构有望带来革命性的性能提升。作为超宽禁带半导体材料的代表，AlN具有极高的键合强度和热导率，使其能够承受超高击穿电场并在极端环境下稳定工作。基于AlN的器件在太空、海洋和沙漠等恶劣环境中展现出卓越的可靠性和超长使用寿命。

传统上，AlN基材料的研究主要依托于蓝宝石衬底上外延生长的薄层AlN模板。然而，随着直径2英寸、3英寸及100 mm的单晶AlN衬底实现商业化量产与成本优化，现阶段相关研究已能够基于材料品质与热导率显著提升的优质衬底开展。

AlN单晶衬底材料的广泛可用性正助力解决材料本身及高铝组分AlGaN在掺杂与欧姆接触方面的技术挑战——后者因具有宽禁带特性而面临特殊困难。美国Sandia国家实验室研究团队近期报道了一项突破性进展：通过采用反向组分梯度再生接触技术，成功实现了高铝组分层低欧姆接触电阻率。该团队同时开发出再生p型AlGaN栅极结构，可形成显著的正向阈值电压并实现可忽略的栅极漏电流。这些技术突破共同为高电流密度高铝组分AlGaN晶体管的研发开辟了新路径，通过树立击穿电压与导通电阻的新标杆，将推动分立型大功率器件进入全新工作区间。

另一项重大突破是美国康奈尔大学研究团队在AlN单晶衬底平台上成功研制出AlN/GaN/AlN量子阱高电子迁移率晶体管（HEMT）。该器件为新一代射频（RF）与功率电子系统提供了显著的性能增益。

(a) 外延生长未掺杂AlN/GaN/AlN量子阱高电子迁移率晶体管（HEMT）异质结构示意图；(b) δ掺杂AlN/GaN/AlN异质结扩展型高电子迁移率晶体管（XHEMT）结构，其特色在于引入了n型施主掺杂薄层。

基于美国康奈尔大学研究团队最新研究成果，该团队创新性地开发了δ掺杂技术，显著提升了薄层GaN势阱中的电子迁移率。针对GaN/AlN异质结界面极化失配导致的高电场问题，传统解决方案通过增加GaN势阱层厚度以实现电场分布缓冲。然而，该方法易引发材料内部缺陷密度升高，进而导致热学性能退化。

康奈尔大学的研究方案实现了双重技术突破：其一，在维持沟道层薄层应变状态的同时，充分利用AlN衬底提供的高结晶质量；其二，其独创的δ掺杂技术可有效调控高电场效应并中和极化诱导正电荷，既保持了材料的高结晶完整性，又避免了寄生沟道的形成。该团队研制的HEMT器件实现了高电子密度、高迁移率与低面电阻的协同优化。相较于传统离子注入或掺杂原子引入等掺杂调控方式，基于极化电荷调控的新型掺杂机制实现了器件性能的突破性提升，这标志着氮化物半导体器件设计范式从传统掺杂工程向极化工程的重要转变。

当前，国际领军企业已在AlN单晶衬底规模化量产领域取得突破性进展，为全球射频（RF）与功率电子器件制造商加速该材料工程化应用提供了关键机遇期。尽管掺杂工程优化、欧姆接触形成等历史性技术瓶颈依然存在，但通过系统性技术创新和持续产业化投入完全具备攻克可能。

特别值得注意的是， AlN单晶衬底直径已突破电子工业基准尺寸（100 mm），且已建立完整的规模化量产技术路线图。这一具有里程碑意义的进展使AlN单晶材料在超宽禁带半导体领域的战略引领地位得以确立，但要实现该材料的全面产业化应用，仍需构建产学研深度融合的创新联合体，在材料本征特性调控、核心工艺突破及器件集成设计等维度开展协同攻关。

原文源于【Compound semiconductors】