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Pulsed MOCVD promises to improve AlN-based power devices

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https://powerelectronicsmagazine.net/article/122596/Pulsed_MOCVD_promises_to_improve_AlN-based_power_devices

原文刊登于英文雜志Power Electronics Magazine, Tuesday 12th August 2025

氮化鋁基準(zhǔn)垂直肖特基勢(shì)壘二極管彰顯脈沖MOCVD生長(zhǎng)高質(zhì)量n型材料的能力。南卡羅來(lái)納大學(xué)的工程師通過(guò)使用該技術(shù)制造準(zhǔn)垂直肖特基勢(shì)壘二極管（a），展示了脈沖MOCVD用于AlN生長(zhǎng)的強(qiáng)大能力；制造器件的頂視圖（b）。

氮化鋁（AlN）作為電力電子材料具有巨大潛力，其關(guān)鍵指標(biāo)——巴利加優(yōu)值（Baliga figure of merit）超過(guò)所有其他超寬禁帶半導(dǎo)體。然而，器件性能受限于與摻雜相關(guān)的困難，包括高電離能以及自補(bǔ)償缺陷的形成。

但根據(jù)南卡羅來(lái)納大學(xué)的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，從傳統(tǒng)的生長(zhǎng)方法轉(zhuǎn)向脈沖MOCVD可以帶來(lái)很大提升。這些研究人員聲稱，脈沖MOCVD能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的AlN摻雜，同時(shí)降低電離能并提供更優(yōu)異的摻雜控制。

由于AlN摻雜的困難眾所周知，氮化物領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)研究了許多創(chuàng)新技術(shù)試圖解決這個(gè)問(wèn)題。這些努力包括使用在低溫下進(jìn)行的金屬調(diào)制MBE，以減少自補(bǔ)償缺陷的形成；以及在MOCVD過(guò)程中添加紫外光源，這種方法雖難以實(shí)施，但能實(shí)現(xiàn)費(fèi)米能級(jí)控制并減輕自補(bǔ)償。采用后一種技術(shù)，硅摻雜的AlN層可實(shí)現(xiàn)2x10¹? cm?³的摻雜密度和160 cm²/V·s的遷移率。

南卡羅來(lái)納大學(xué)的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的脈沖MOCVD比涉及紫外光源的技術(shù)更易于實(shí)施。今年早些時(shí)候，他們報(bào)道了從傳統(tǒng)MOCVD轉(zhuǎn)向脈沖MOCVD能使AlN的電導(dǎo)率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，現(xiàn)在他們正在展示這種生長(zhǎng)技術(shù)在制造準(zhǔn)垂直肖特基勢(shì)壘二極管方面的能力。

為了制造這些功率二極管，該團(tuán)隊(duì)首先取用AlN襯底，采用傳統(tǒng)MOCVD生長(zhǎng)250 nm厚的未摻雜AlN緩沖層，隨后是非故意摻雜的Al?.?Ga?.?N層，1 μm厚的硅摻雜Al?.?Ga?.?N層用于形成接觸，以及100 nm厚的未摻雜漸變層，其中鋁組分從70%增加到100%。

詳細(xì)介紹這項(xiàng)工作的論文合著者Abdullah Al Mamum Mazumder告訴《化合物半導(dǎo)體》雜志，他們使用傳統(tǒng)MOCVD來(lái)生長(zhǎng)這些層，是因?yàn)樗軌蚣骖櫺屎透呱L(zhǎng)速率。

"對(duì)于摻雜AlN層的生長(zhǎng)，使用脈沖MOCVD在可實(shí)現(xiàn)摻雜劑摻入和更小的施主電離能級(jí)方面提供了重要優(yōu)勢(shì)。這就是為什么在這項(xiàng)工作中我們僅使用脈沖MOCVD來(lái)生長(zhǎng)有源AlN層。"

工程師們從他們的外延片上制造了具有圓形幾何結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)垂直肖特基勢(shì)壘二極管。為了制造這些器件，他們使用標(biāo)準(zhǔn)光刻和電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻來(lái)定義臺(tái)面并觸及Al?.?Ga?.?N層——在該層上他們使用電子束蒸發(fā)形成了n型接觸。通過(guò)電子束蒸發(fā)添加肖特基接觸。這完成了二極管的制造，其肖特基接觸和歐姆接觸之間有10 μm的間距。

電學(xué)測(cè)量顯示，該團(tuán)隊(duì)的肖特基勢(shì)壘二極管具有約395 V的擊穿電壓。根據(jù)模擬，峰值電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度為9.9 MV/cm。工程師們指出，結(jié)合鈍化和場(chǎng)板技術(shù)可以使擊穿時(shí)的電場(chǎng)接近AlN的臨界電場(chǎng)（12-15 MV/cm）。

該團(tuán)隊(duì)的肖特基勢(shì)壘二極管開(kāi)啟電壓約為2.2 V，理想因子為2.4，這歸因于AlN表面的氧化物形成以及金屬-AlN界面不完美。"我們計(jì)劃在未來(lái)的工作中解決這些問(wèn)題，"團(tuán)隊(duì)成員Tariq Jamil說(shuō)。

其他目標(biāo)包括對(duì)高鋁組分的AlN和AlGaN材料的脈沖MOCVD生長(zhǎng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

"我們的任務(wù)包括提高摻雜水平、優(yōu)化材料質(zhì)量、以及進(jìn)行遷移率和電流輸運(yùn)分析與優(yōu)化，"Mazumder說(shuō)。"我們也在致力于利用脈沖MOCVD開(kāi)發(fā)新器件。這些包括垂直和準(zhǔn)垂直的肖特基二極管和p-n二極管，以及晶體管。"

參考文獻(xiàn)

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