隨著微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，超寬禁帶半導(dǎo)體材料在高功率和射頻電子領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注。近日，一項(xiàng)關(guān)于超寬禁帶氮化鋁（AlN）異質(zhì)結(jié)器件的最新研究成果發(fā)表于《IEEE Electron Device Letters》。該研究由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校馬振強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)李曉航教授團(tuán)隊(duì)合作完成，論文第一作者為威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的陸義博士。研究團(tuán)隊(duì)首次通過半導(dǎo)體納米薄膜嫁接技術(shù)，成功制備出單晶p-Si/n-AlN異質(zhì)集成PN結(jié)二極管，展現(xiàn)出卓越的整流特性、超低漏電流和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。這一突破為AlN基電子器件的發(fā)展提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。
【研究背景】
在能源轉(zhuǎn)型和信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，高功率、高頻率電子器件需求迅速增加。超寬禁帶半導(dǎo)體材料如氮化鋁（AlN），因其優(yōu)異的材料性能，如超寬的帶隙（6.1 eV）、極高的擊穿電場(chǎng)（12-15 MV/cm）以及出色的熱導(dǎo)率（340 W/m·K），備受產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。近年來，采用Si摻雜n型AlN層的單極性AlN肖特基二極管（SBD）取得了進(jìn)展。然而，由于AlN的p型摻雜效率極低，其雙極型器件（如PN結(jié)二極管）的發(fā)展長(zhǎng)期受限，相關(guān)研究面臨巨大挑戰(zhàn)。
【研究內(nèi)容】
為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用半導(dǎo)體嫁接技術(shù)，將厚度約180 nm的大面積單晶p型Si納米薄膜精確嫁接到n型AlN外延層上，首次實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高性能的p-Si/n-AlN異質(zhì)結(jié)PN二極管。該半導(dǎo)體納米薄膜嫁接技術(shù)有效克服了不同半導(dǎo)體材料之間的晶格失配難題，實(shí)現(xiàn)了任意半導(dǎo)體材料間的高質(zhì)量異質(zhì)集成。在本研究中，Si與AlN界面的原位氧化層能夠起到自鈍化作用，顯著降低界面缺陷密度，同時(shí)該鈍化層也為載流子的量子隧穿提供了有利通道。
圖1. (a1) p-SOI圖形化及腐蝕；(a2) 用PDMS印章拾取納米薄膜；(b1) n-AlN外延層；(b2) 陰極金屬化與退火；(c) 納米膜轉(zhuǎn)移到AlN；(d) p-Si上陽極金屬化及退火；(e) RIE刻蝕去除未覆蓋的p-Si納米膜；(f) ALD Al?O?鈍化、開孔及器件隔離；(g) 器件SEM圖像。
圖2. (a) 器件示意圖; (b) Si納米薄膜轉(zhuǎn)移到n-AlN模板上; (c) 拉曼和(d) XRD圖譜。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化了n-AlN金屬接觸，通過1100℃的高溫快速退火，有效改善了金屬與n-AlN的歐姆接觸性能，將界面接觸電阻降低至4.9×10-3 Ω·cm2，為器件的整體高性能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。所制備的PN二極管表現(xiàn)出出色的整流性能和優(yōu)異的均勻性，在±10 V電壓下整流比高達(dá)3×10?，并擁有極低的漏電流密度（約6.25×10-9 A/cm² @ -10 V）。正向掃描（-10至+30 V）與反向掃描（+30至-10 V）I-V曲線未觀察到明顯滯后現(xiàn)象，進(jìn)一步證明了單晶Si與AlN的高質(zhì)量界面和極低的界面缺陷水平。
圖3. (a) 不同退火條件下相鄰陰極的IV曲線，插圖為陰極的顯微鏡照片；(b) 1100°C 30 s退火樣品不同間距的IV曲線。
該器件在室溫至100℃的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)通電阻隨溫度升高顯著下降（由室溫下的15.8 Ω·cm2降至100℃時(shí)的0.33 Ω·cm2）。在高反向電壓測(cè)試中，器件的擊穿電壓高達(dá)-894 V，且未出現(xiàn)破壞性擊穿，充分展現(xiàn)了其優(yōu)良的可靠性與穩(wěn)定性。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過二維器件仿真深入分析了電場(chǎng)分布特性，結(jié)果顯示電場(chǎng)主要分布于AlN一側(cè)，而硅側(cè)的電場(chǎng)分布很弱。同時(shí)，通過在器件側(cè)壁引入Al?O?鈍化層，有效緩解了界面電場(chǎng)的集中，進(jìn)一步提升了器件的擊穿能力和整體性能。
圖4. (a) 19個(gè)Si/AlN PND器件的I-V曲線；(b) 典型器件的滯后特性；(c) 典型器件從室溫至100°C的I-V特性；(d) 提取的電阻與1/kT的關(guān)系。
圖5. (a) 19個(gè)Si/AlN PND器件高反向電壓測(cè)量，插圖為達(dá)8 mA上限時(shí)的反偏電壓統(tǒng)計(jì)；(b) 典型PND多次高壓測(cè)試結(jié)果；(c) -1000 V下PND二維電場(chǎng)分布仿真；(d) 本工作及已報(bào)道n-AlN基二極管的性能對(duì)比。
【結(jié)語】
本研究成果為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的異質(zhì)集成提供了全新思路。所制備的PN結(jié)二極管展現(xiàn)出高整流比、極低漏電流，以及優(yōu)異的高溫和高壓耐受能力，使其在高功率電子、射頻器件及極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本研究所提出的異質(zhì)結(jié)器件技術(shù)不僅為AlN器件的應(yīng)用邊界帶來拓展，也為未來其他超寬禁帶半導(dǎo)體材料的異質(zhì)集成與創(chuàng)新提供了重要參考，有望持續(xù)推動(dòng)高性能、高可靠性電子器件的發(fā)展。
