www.188betkr.com 讯到目前为止,SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)作为功率电子器件晶体管的半导体材料的研发已经取得进展,并且已经开始实用化。通常由轻元素构成的半导体的介电击穿电阻较高,但是如果将GaN中的一部分Ga替换为较轻的Al并制成AlGaN(氮化铝镓),则将获得具有优异的介电击穿电阻的晶体。因此,具有更高介电击穿电阻的AlGaN作为下一代功率电子材料被寄予厚望。
AlGaN材料性质
化学性质方面,AlGaN材料继承了AlN和GaN优秀的化学稳定性。在室温下,不与水、强碱和强酸反应;在高温下,与碱缓慢反应。优秀的化学稳定性决定了AlGaN基器件适用于多种极端环境。
物理性质方面,AlGaN材料具有极高的熔点,导热系数高。同时,该材料的质地坚硬,非常适用于制备高温高压等环境中工作的器件。此外,AlN、GaN和AlGaN在晶格常数以及导带价带位置上有差距,因此在形成异质结时,会产生自发的极化,并且表现出一定的压电特性,可以用来制备压电器件。再者,AlGaN材料还具有较大介电常数,因此也能用来制备高频高功率器件。
电学性质方面,电场强度在一定程度上对于AlGaN的电子迁移率影响较小,该特性使得AlGaN材料可以用来制备微波器件。由于材料真空电离能较高,且化学惰性很强,因此难以实现欧姆接触,尤其是p型欧姆接触。目前,主要通过在AlGaN表面额外生长一层p型GaN来实现p型欧姆接触。
光学性质方面,AlGaN是直接带隙半导体,具有很高的发光效率。在带隙宽度方面,通过调整Al:Ga比例可以实现带隙在3.39-6.024eV间可调,极大地覆盖了紫外光区,并且包含了整个日盲区,目前GaN/AlGaN异质结构是日盲探测器的首选。此外,AlN的电子亲和能只有0.6eV,在某些条件下甚至能为负值,这意味着Al组分较高的AlGaN材料可以制备高效率的发光器件。目前,光学性质方面的优势是AlGaN材料吸引巨大研究热情的主要原因。
AlGaN材料制备
金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)在过去的20年里已经发展成为Ⅲ-Ⅴ族氮化物外延生长的主要技术。
1967年,Manasevit等研究者发现,金属有机化合物三甲基镓(CH3)3Ga和氢化物的气相混合物,在H2气氛中在600-700℃温度下热解,可以用来生长GaN材料,自此MOCVD进入了研究人员的视野。在80年代之后,这项技术有了更快的发展,采用MOCVD技术可以在大衬底基片上沉积得到均匀的外延层,尤其在Ⅲ族氮化物生长领域。经过一段时间的持续发展,九十年代后,MOCVD已经成为了GaN、AlGaN等半导体材料及其相关器件的重要生长方法。
使用MOCVD设备生长AlGaN材料,其基本原理是将Ⅲ族元素金属有机化合物源和Ⅴ族化合物的氮源,通过载气进入反应室,并在反应室内部充分混合,在反应室的反应分为多个步骤来完成:
首先是Ⅲ族源气和氮源的裂解反应,TMGa和NH3通过反应生成反应前驱体和副产物;裂解反应的产物会沉积在底部衬底的表面,同时TMGa和NH3也会在进入反应室后,向衬底上逐步扩散;沉积在衬底上的前驱体在表面发生迁移和扩散,与到达衬底的NH3发生反应,在高温反应下产生最终产物和副产物;随后最终未反应的源分子,反应副产物等会在载气的携带下,离开反应室,进入设备后续的尾气处理流程。
MOCVD生长的基本原理(图源:王科,《AlGaN材料的腐蚀和再生长研究》)
值得一提的是,AlGaN材料生长中,Ⅲ族金属有机源气主要有TMAl和TMGa,通过控制通入反应室内TMAl和TMGa源气的流量摩尔比,可以控制最终产物AlGaN中Al组分的含量。其中TMAl在与NH3反应生长时,会出现很强的预反应,两者生成TMAl·NH3,在后续反应中,TMAl·NH3会进一步反应最终生成AlN颗粒。大多数AlN颗粒会被载气带出反应室,这会造成反应物源的浪费,同时少部分颗粒留在反应室内继续生长时,会造成大量位错的产生,这也是AlGaN材料生长质量不高的原因之一,也是AlGaN材料面临的困难之一。
除了生长率低,MOCVD技术需要约1000°C的高温、成本昂贵,这些因素都阻碍着其广泛应用。
今年7月,日本东京大学工业科学研究所发布了一项新的AlGaN生长技术-脉冲溅射沉积(PSD)。该技术主要有3个亮点:①AlGaN生产成本可降低90%;②采用低廉溅射设备,不需要MOCVD;③性能比传统GaN器件更强,AlGaN原型耐压超过1600V。
脉冲溅射沉积(图源:东京大学工业科学研究所)
据称,他们已经通过该技术制造了AlGaN晶体管原型,并实现实用化。该所的Hiroshi Fujioka教授表示,他们的AlGaN晶体管有望在未来将取代GaN晶体管,同时其性能也将超过GaN晶体管的极限。通过使用溅射生长法,可以将这种AlGaN晶体管的生长成本降低至十分之一左右,有可能取代低成本硅基MOSFET。而且,他们所开发的AlN/AlGaN-HEMT,有望用于制作高性能电力转换元件和6G通信等下一代无线通信元件。未来,研究小组将优化新器件结构,为产业化落地做准备。
AlGaN材料应用
紫外及深紫外器件
AlGaN的禁带宽度可以从3.39eV连续调节到6.2eV,其截止波长可从365nm(GaN)调节到200nm(AlN),十分适合制作紫外探测器。传统的Si基光电探测器具有低效率、寿命短和高工作电压的缺点,而AlGaN由于其直接带隙结构拥有高量子效率和低表面复合率,且其耐高温高压可满足在极端物理环境下保持良好的稳定性能,所以使用AlGaN材料制成的紫外探测器性能远胜于传统的Si基光电探测器。
深紫外发光二极管(DUV-LED)的发射波长在220-360nm之间,其主要用途有紫外线固化、水/空气/表面净化、植物生长照明、环境气体传感、计量目的、光治疗、癌症检测和病毒治疗。AlGaN材料被广泛应用于DUV-LED的制备。AlGaN基深紫外发光二极管具有寿命长、波长可调、环境友好、方向性好、开关速度快、结构紧凑、灵活性强等优点,在水中取代传统的紫外光源(特别是汞灯)方面显示出巨大的应用潜力。
异质结HEMT器件
第三代宽禁带半导体GaN及三元合金AlGaN调制而成的AlGaN/GaN双异质结结构具有卓越的电学特性,它在室温下即可获得高达1500cm2/VS的电子迁移率及高达2x107cm/s的饱和电子速度,并且在界面处存在比第二代半导体异质结更高密度的二维电子气(2DEG),这些特性使AlGaN/GaN结构成为异质结HEMT器件的热点材料。
AlGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMTs)具有高击穿电压、高饱和电子速度和高电流密度等优良特性,主要应用场景有微波功率放大器、超高速单片集成电路等。
小结
随着半导体器件应用场景的不断变化,对材料能够满足耐高温高压、高电子迁移率、高击穿电压等要求越来越迫切。以Si为代表的第二代化合物半导体逐渐不能满足行业需求,而以GaN及AlGaN合金为代表的第三代化合物半导体的性能可以极好的满足上述要求,在功率电子器件、微波器件、紫外发光器件等领域拥有光明的应用前景。
参考来源:
1、东京大学工业科学研究所
2、王科,《AlGaN材料的腐蚀和再生长研究》
3、蒋仁杰,《AlGaN一维纳米材料的制备、生长机理和光电探测器研究》
4、蒋仁杰,《髙温MOCVD生长铝镓氮薄膜的气相反应动力学研究》
5、半导体行业观察,《下一代功率半导体,日本有了新进展 》
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