使用 AlN 的极端温度器件

具有 AlN 通道的二极管和晶体管可提供高击穿电压并可在极高的温度下运行。

许多人类活动正在扩展到极端环境，通常是出于资源开发的动机。这使得探索向各个方向发展，包括地下深处、海洋深处和深空。在所有这些环境中，温度都是极端的——金星表面、深井钻探以及正在运行的发动机内部的温度都超过 300°C。

要了解有关所有这些环境的更多信息，需要部署传感器。但最明显的那些——即基于硅的——由于工作温度限制相对较低，无法胜任这项任务。这意味着，为了丰富我们在这些环境中的生活，我们需要开发极端温度电子产品。

图 1. 具有栅极氧化物的 MESFET 中的漏电流路径和热退化点。

当所有形式的半导体器件在极端温度下运行时，它们都会面临与材料、电极、栅极氧化物和封装相关的问题（见图 1）。随着温度升高，由于电子从价带最大值激发到导带最小值，因此产生大量电子空穴对。这些电子会增加本征载流子浓度（见图 2 (a)），但它们是有害的，因为它们会增加器件的漏电流并阻止器件关闭。减少漏电流的选择包括引入具有较大带隙能量和较低本征载流子浓度的半导体材料（见图2（b）），或限制电流从沟道以外的区域扩散。采用高电阻率层包围的沟道层，有效施主/受主浓度低，缺陷浓度低，可以提高器件的工作温度。另一种方法是部署具有 p-n 结的器件，例如 JFET 和 BJT。在这些情况下，为电极选择与基础半导体反应性最小的难熔金属也很重要。特别地，钛、钒、钽、钼、钨和铂比铝、镁、铜、银、铟和金更适合此目的。

 为什么使用氮化铝？

有许多半导体材料的带隙能量比硅更大。它们包括 SiC (3.3 eV)、GaN (3.4 eV)、Ga₂O₃ (4.7-5.2 eV)、金刚石 (5.5 eV) 和 AlN (6.1 eV)。由 Philip Neudeck 领导的 NASA 团队报告称，SiC JFET 可以在超过 800°C 的温度下工作。虽然这无疑是一个令人印象深刻的结果，但带隙更宽的材料有望达到更高的温度。然而，其中不少有明显的缺点。 GaN 的有效施主浓度高达 10¹⁶ 厘米^-3;不可能形成p型Ga₂O₃ 层；金刚石在 700°C 左右开始与氧气发生反应。与之形成鲜明对比的是，AlN 没有明显缺陷，并且具有热稳定性和可控掺杂性。由于这些特性，我们筑波大学的团队一直将所有注意力都集中在氮化铝上，以开发极端温度器件。

从历史上看，人们一直认为氮化铝只能作为绝缘体。然而，大约 20 年前，NTT 的 Yoshitaka Taniyasu 及其同事通过 MOCVD 生长导电 AlN 层证明情况并非如此。

该团队记录的电子迁移率为 426 cm² V^-1 s^-1 对于硅掺杂 AlN 层，掺杂剂浓度为 3 x 10¹⁷ 厘米^-3。在这项工作的基础上，他们继续开创 p 型 AlN 生长，并展示了首款波长为 210 nm 的 AlN LED 和准垂直 AlN p-n 二极管。这些成功要归功于最近基于 AlGaN 和 AlN 的深紫外 LED 的快速发展。

图 2.(a) 高温下电子-空穴对生成的图示。 (b) 硅、SiC、GaN、β-Ga2O3 金刚石和 AlN 的本征载流子浓度与温度倒数的关系。

除了光学器件之外，研究界还研究了 AlN 肖特基势垒二极管和 AlN/AlGaN HEMT，以探索高临界电场的潜在优势。不幸的是，由于施主和受主的电离能较高，这些器件的载流子浓度较低——硅为 0.3 eV，镁为 0.6 eV。因此，这两种掺杂剂的载流子浓度比它们的浓度低大约两个数量级，导致器件的电流非常小。为了克服这个问题，我们的团队与麻省理工学院和阿尔托大学的研究人员合作，通过在 N 极 AlGaN/AlN 结构中引入极化诱导掺杂，开辟了新的领域。由于自发极化和压电极化，这种形式的掺杂可以增加电流并降低接触电阻率。利用极化诱导掺杂，我们展示了首款 N 极性 AlN 基 PolFET 和 HEMT，其漏极电流超过 100 mA mm-1。这样的成功使我们将氮化铝视为光学和电气设备的实用半导体。

为了生产这些设备，我们已经能够利用许多材料供应商。 2 英寸蓝宝石衬底上的高质量 AlN 样品可从 Dowa Electronics Materials 购买，2 英寸块状 AlN 可从 Stanley 和 Asahi Kasei 购买。

图 3. (a) 1600°C 退火后 3 µm 厚的硅注入 AlN 层中硅、氧和碳的杂质浓度的深度分布。 (b) 退火后 1 µm 厚的镁注入 AlN 层中镁浓度的深度分布。

 掺杂氮化铝

控制半导体中掺杂剂的浓度是在晶体生长、热扩散和可能的注入过程中掺入杂质。后者是一项有吸引力的技术，能够实现精确的剂量控制并确保掺杂剂的高横向均匀性。然而，当采用高剂量注入时，它们往往会损坏晶格并引入高浓度的点缺陷，这可以补偿载流子。幸运的是，大部分损坏可以通过后热退火来修复，我们在生产硅注入的 n 型 AlN 沟道时就使用了后退火。

AlN 晶体（包括其表面）令人印象深刻的特性之一是在高温下的坚固性，在高达 1700°C 的氮气下也能保持稳定性。这种稳健性为修复注入损伤提供了广阔的窗口——该过程需要 1200°C 以上的温度来电激活硅注入的 AlN 层。但请注意，选择退火温度时需要深思熟虑，因为它可能会导致材料发生其他变化。超过 1400°C 时，硅和氧杂质会在上面的层内扩散。由于氧原子从蓝宝石衬底中扩散，在氮气下在 1500°C 时分解，蓝宝石衬底上的薄 AlN 层在高温退火后会具有较高的氧浓度，导致电特性下降。

图 4.(a) 具有硅注入 AlN 沟道的肖特基势垒二极管的横截面。 Ni/Au 阳极和 Ti/Al/Ti/Au 阴极。 (b) AlN 肖特基势垒二极管在 27 °C 至 827 °C 范围内的电流密度-电压特性。

通过与麻省理工学院、阿尔托大学、TNSC 和同和电子材料公司合作，我们研究了 AlN 中硅、氧和镁原子的扩散（见图 3）。我们的研究表明，使用 3 µm 厚的 AlN 层进行退火后，从蓝宝石衬底扩散的氧原子无法到达沟道层。这使我们得出结论，具有硅和镁注入的导电 AlN 层的优选退火温度范围分别为 1200-1600°C 和 1400-1500°C。这些知识使我们能够展示第一个 AlN 沟道晶体管。

当器件的制造涉及接近热平衡的条件时，例如外延生长和高温退火，有利于形成电离能为250-320 meV的深态。这往往会导致硅供体的自我补偿，这种情况与我们的结果一致。

同时，使用非平衡工艺，例如离子注入，可以增加电离能为 64-86 meV 的浅施主数量。这促使北卡罗来纳大学和 Adroit Materials 的 Hayden Breckenridge 及其同事通过硅注入和在 1200°C 的相对低温下进行后退火来生产高导电性的 AlN 层。来自京都大学的另一个令人鼓舞的结果是，AlN 的替代镁受体结合能仅为 250-410 meV，该值远小于普通 MOCVD 生长的 AlN 层中镁受体的电离能。总而言之，这些结果表明，如果在掺杂硅和镁的 AlN 中能够重复且轻松地控制非平衡工艺条件，这可能会为性能显着提高的电子和光学器件打开大门。

图 5.(a) 具有硅注入 AlN 沟道的 MESFET 横截面示意图。 (b) AlN MESFET 在 727°C 时的直流输出特性。

 氮化铝的电性能

为了提高 AlN 基器件的电气性能，需要做的不仅仅是解决因低载流子浓度而受到损害的 n 型和 p 型 AlN 层的高电阻率问题。此外，还需要解决由于电子亲和力小而导致的高接触电阻率问题。

在室温下在 AlN 中形成欧姆接触尤其具有挑战性。电压降由肖特基势垒的高度决定，肖特基势垒的高度取决于金属功函数和半导体电子亲和力之间的差异。通过适当选择电极材料来降低势垒高度，可以产生欧姆接触。 n 型 AlN 的选择有钛、铝、钒和钼，而 p 型 AlN 的欧姆接触可以使用钯和 NiO。

半导体材料中重掺杂的影响之一是耗尽区宽度减小，导致穿过势垒的隧道效应。最顶层 AlN 表面的重掺杂对于欧姆接触非常重要。然而，由于AlN层中硅和镁掺杂剂的浓度限制在10左右¹⁹ 厘米^-3，也许由于补偿缺陷的形成，场发射隧道技术没有前景。

为了确定半导体结构中的载流子浓度和载流子迁移率，研究人员倾向于采用霍尔效应测量。由于这些测量需要欧姆行为，一些研究使用了重掺杂的 GaN 接触层。这使得能够在室温和高温下测定 AlN 的电性能。我们与其他人一起评估了高温下的载流子浓度和载流子迁移率，分别获得了 n 型和 p 型 AlN 在超过 200°C 和 500°C 温度下的值。

图 6. 基准图，将 AlN 器件与其他最先进的 (a) 肖特基势垒二极管和 (b) FET 的电流开关比与测量温度进行比较。

在进行这项研究时，我们发现了一个与高温测量相关的新问题。我们必须使用探针台，因为我们缺乏适用于极端温度的粘合和封装技术。我们还发现普通探针尖端在高温下会劣化。请注意，大多数报道的设备的最高工作温度不超过 500°C，这意味着在高于此温度时电气特性的测量不可靠。

我们与同和电子材料公司合作，使用高温探针系统评估了蓝宝石基板上 3 µm 厚的 AlN 层的电气特性，该高温探针系统在高真空下的最高测量温度为 900°C。为此，我们在室温下将硅注入 AlN 层中以获得 n 型电导；浓度为2×10¹⁹ 厘米^-3 在 150 nm 深的盒子轮廓中。这些硅注入的 AlN 层随后在 1500°C 下进行退火。然后，我们沉积 Ti/Al/Ti/Au 电极用于欧姆接触，然后在 950°C 下烧结。

我们的电极在 877°C 时劣化，可能是由于 Ti/Al 和 AlN 之间的反应。这促使我们寻找适合极端温度下欧姆接触的金属。对于我们能够考虑的温度，我们观察到电流-电压关系在 127°C 以下呈非线性，在 227°C 以上几乎呈线性。评估 227°C 至 827°C 之间的电气特性表明，方块电阻和接触电阻率随着温度的升高而降低。从227°C到627°C，随着温度的升高，电子迁移率略有下降，但由于施主电离增强，电子浓度增加，导致高温下方块电阻降低。这使我们得出结论，n 型 AlN 层在极端温度下表现出优异的性能。

 二极管和晶体管

我们在蓝宝石衬底上制造了带有硅注入 AlN 层的肖特基势垒二极管和 MESFET。我们的二极管能够在 827°C 的温度下工作（见图 4），超越了之前的所有记录，而我们的晶体管的工作温度高达 727°C（见图 5）。 AlN 肖特基势垒二极管在室温下的击穿电压为 610 V，而 AlN MESFET 在 727°C 下的相应击穿电压为 176 V。我们热衷于指出这些器件实际上是可行的，因为它们具有简单的结构，AlN 层生长在大型、低成本的蓝宝石衬底上。

为了制造肖特基势垒二极管和 MESFET，我们使用 Ni/Au 作为阳极和栅极接触。我们发现镍具有热稳定性，即使在 827°C 下也几乎不与 AlN 发生反应。更重要的是，就电气特性而言，我们发现Ni/Au和Pt/Au之间几乎没有差异。对于肖特基势垒二极管，由于本征载流子浓度低和热稳定的 Ni/AlN 界面，即使在 827°C 下，截止电流也很小。然而，由于底部未掺杂 AlN 层的泄漏和高浓度的缺陷，AlN MESFET 的断态漏极电流在 727°C 时很高。与硅器件中的电流在高温下由于声子散射而下降不同，我们发现 AlN 肖特基势垒二极管和 MESFET 的正向电流随着温度高达 827°C 而持续增加。我们将此归因于极端温度下 AlN 器件中的电流主要由电子浓度的增加和接触电阻率的降低决定，而电子迁移率的降低则起着次要的作用。

我们开发的 AlN 器件为制造可在极端温度下工作的半导体器件开辟了一条新途径。尽管肖特基势垒二极管和 FET 的开关比与温度之间存在权衡（见图 6），但 AlN 器件仍有很大的改进潜力。例如，通过同质外延生长和引入 JFET 结构的结合，应该可以提高极端温度下的开/关比。其他改进可能来自耐热欧姆接触的引入，而不是钛/铝/钛/金，此举会将工作温度提高到 877°C 以上。

对于大多数极端温度应用，IC 需要长期可靠运行。此类电路采用互补技术制造，具有 n 沟道和 p 沟道。京都大学的工程师开发了一种 SiC 互补 JFET 逻辑门，工作温度为 350°C。我们希望将我们的工作朝着类似的方向发展，生产具有同质外延 AlN 通道的互补 JFET，能够在极端环境下运行。

作者：筑波大学的 HIRONORI OKUMURA

从 https://compoundsemiconductor.net/article/118570/Extreme-Temperature_devices_using_AlN