推动AlN肖特基势垒二极管的发展

AlN肖特基势垒二极管在原生衬底上形成，具有3 kV阻断电压和优异高温性能

据亚利桑那州立大学的工程师称，已在AlN单晶衬底上生产出首款阻断电压为3 kV的AlN肖特基势垒二极管。据称，这类器件具有优异的高温性能和整流特性。

该团队的成功是一项显著突破。虽然AlN因临界场较高、Baliga品质因数较大而前景广阔，但由于材料生长、接触、掺杂、制造方面的挑战，AlN功率器件的开发仍处于起步阶段。

团队发言人Houqiang Fu认为：“[我们的]研究结果表明AlN作为超宽禁带半导体的潜力，是向开发多千伏AlN高压及大功率器件迈出的一大步。”

Houqiang Fu及其同事近期取得的胜利建立在早期研究的基础上，其中涉及生产能够阻断1 kV电压的蓝宝石基AlN二极管。缺陷密度会影响器件性能，包括阻断电压，改用原生衬底则降低了缺陷密度。

生产3 kV肖特基势垒二极管的第一步是将通过物理气相传输法生长的块状AlN衬底装入MOCVD反应器。在此基础上，研究团队沉积了1 mm厚的无意掺杂的电阻缓冲层，然后是200 nm厚的掺硅浓度为1 x 10¹⁹ cm^-3的AlN层，以及2 nm厚的无意掺杂的GaN封盖层。

为了评估外延层的晶体质量，研究团队探讨了通过高分辨率X射线衍射获得的峰厚度。表明位错密度在10⁴ - 10⁵ cm^-2之间，比在蓝宝石上生长的AlN低三个数量级。

对外延片进行化学清洗后，工程师们采用传统的光刻和剥离工艺制造出肖特基势垒二极管。

他们生产出一系列器件，欧姆接触和肖特基接触之间的距离从50 mm到350 mm不等。所有器件均未采用场板、钝化、边缘终端结构。

电学测量显示，导通一关断比为10⁵ - 10⁶，导通电压约为2.5 V。

研究团队还研究了理想因子。一个完美器件的理想因子为1，越接近这个值则表明二极管的品质越高，因为金属一半导体界面上造成陷阱态的缺陷更少。随着欧姆接触和肖特基接触之间的距离增加，理想因子从4.29增加到7.52。研究团队由此推断，由于载流子浓度相对较低，电流传输可能受到表面态和/或AlN外延层电阻的影响。

针对具有最佳理想因子的二极管，将温度从298K提高到623K，二极管显示出良好的温度稳定性。随着温度的升高，导通比从10⁶增至10⁸，肖特基势垒高度从0.89 eV增加到1.85 eV，理想因子从4.29下降到1.95。

反向偏压测量结果表明，无论欧姆接触和肖特基接触之间的距离如何，二极管都能阻断3 kV的电压，这是研究团队的设备极限值。

Houqiang Fu及其同事的下一个目标是提高高压AlN功率二极管的反向及正向电气性能。

在反向性能方面，工作重点是采用边缘终端技术（如场板）和表面钝化技术。我们希望借此减少反向漏电流，并将击穿电压提高到10 kV。

Houqiang Fu补充道：“在正向性能方面，我们将继续改进欧姆接触和肖特基接触，通过表面处理和热退火优化来增强正向电流传导并降低导通电阻。”

参考文献

D.H. Mudiyanselage et al. Appl. Phys. Express 17 014005 (2024)