【研究梗概】：

超寬禁帶半導體氮化鋁具有超高擊穿電場，在新型電子器件開發(fā)中展現(xiàn)出巨大潛力，受到全球研究者的競相關注。近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學先進半導體實驗室（Advanced Semiconductor Laboratory）在超寬禁帶半導體氮化鋁（AlN）肖特基勢壘二極管（SBDs）性能優(yōu)化上取得重要進展。團隊通過氧富集快速熱退火技術，成功將AlN SBDs的整流比提升至10?，擊穿電壓突破1150 V，同時保持低導通電阻。這是迄今公開報道中藍寶石襯底AlNSBDs的最高性能。相關成果發(fā)表于國際權威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》上。論文第一作者為曹海城博士，通訊作者為李曉航教授。

【具體研究內(nèi)容】：

超寬禁帶半導體材料AlN因其超高擊穿電場（>10 MV/cm）、卓越的熱導率及優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，一直被視為下一代高壓功率器件的重要候選材料。然而，AlN功率器件的研究仍處于初期階段，其外延層摻雜生長和后續(xù)器件制備工藝均面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，多數(shù)研究主要集中在晶格失配更低的AlN或SiC單晶襯底上，以盡量降低位錯缺陷對器件性能的負面影響，而基于藍寶石襯底的異質(zhì)外延及器件制備研究相對較少。鑒于藍寶石基底成本低廉，已推動氮化物器件的快速商業(yè)化，其在未來市場中具備廣闊應用前景，因此深入研究藍寶石襯底上AlN功率器件的性能具有重要意義。

目前，藍寶石襯底上制備的AlNSBDs一直面臨高理想因子和高反向漏電流雙重挑戰(zhàn)。材料缺陷和界面態(tài)導致載流子輸運偏離理想狀態(tài)，而傳統(tǒng)的等離子體處理或氧化層沉積工藝雖然在一定程度上可抑制缺陷，卻往往引入新的表面損傷或顯著增加導通電阻，難以兼顧器件性能與可靠性。針對這一難題，KAUST先進半導體實驗室采用氧富集快速熱退火技術，顯著改善了藍寶石襯底AlNSBDs的電性能。本研究中，所用AlN材料通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在藍寶石襯底上實現(xiàn)外延生長，包括1.1μm無摻雜AlN層和250nm硅摻雜AlN層（摻雜濃度為1.2×101?cm?3），材料位錯密度約為5×10?cm?2，器件制備則采用標準光刻及剝離工藝，圖1（a-b）為器件結構示意圖。

為系統(tǒng)探討氧富集快速熱退火處理對器件性能的影響，研究人員設計了三組樣品：參照樣品未經(jīng)過任何處理；樣品S1在550℃氧氣環(huán)境中先后進行兩輪各1分鐘的快速熱退火，隨后利用BOE溶液去除表面富氧氧化層；而樣品S2則接受了三輪1分鐘的氧富集快速熱退火處理后直接沉積肖特基金屬。器件制備完成后，團隊通過變溫I–V、C–V及XPS等手段，對器件性能進行了全面表征。

測試結果顯示，經(jīng)過氧富集快速熱退火處理的樣品在室溫下正向電流與參照樣品基本持平，但反向漏電流顯著降低，使得整流比提升至約10??；跓犭娮影l(fā)射模型的擬合分析，處理后肖特基二極管的理想因子由2.3降至2.04，而肖特基勢壘高度則從1.56 eV提升至最高1.84 eV。XPS測試結果表明，經(jīng)退火后Al 2p峰中Al–O組分顯著增強，其比例由參照樣品的9.17%提升至S1的22.28%和S2的23.24%，表明在AlN表面形成了一層薄型AlOx層，有效鈍化了表面缺陷。同時，C–V測試顯示，處理后的器件在耗盡區(qū)斜率明顯增大，計算界面態(tài)密度由2.41×1013eV?1cm?2下降至1.67×1013eV?1cm?2，進一步驗證了氧富集快速熱退火技術在改善界面質(zhì)量方面的卓越效果。

圖1（a）AlN橫向SBD的三維示意圖，突出顯示經(jīng)過氧富集快速熱退火處理后形成的O2擴散層（用紅色標注）。（b）AlN SBD的SEM圖像。(c) 在電極距離分別為30和190um時的破壞性擊穿特征。(d) 擊穿電壓分布。

此外，溫度依賴性測試表明，當溫度從23℃升高至200℃時，處理后的器件依然維持穩(wěn)定性能，其正向電流隨溫度上升而增大，而理想因子與勢壘高度均展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在電極間距為190μm時，平均擊穿電壓由參照樣品的938 V提升至1108 V，最高可達1150 V，展示了千伏級的阻斷能力，參考圖1（c-d）。

這一成果證明，氧富集快速熱退火處理能有效抑制表面懸掛鍵及生長缺陷形成的缺陷輔助隧穿通道，實現(xiàn)AlN SBDs整流特性與擊穿電壓的協(xié)同優(yōu)化，這一進展為高功率AlN器件的工程應用提供了新的技術路徑。論文中建立的缺陷-性能關聯(lián)模型也為進一步提升器件擊穿電壓、降低理想因子的器件優(yōu)化策略提供了更多物理依據(jù)。該研究成果已發(fā)表于國際權威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》。未來，隨著藍寶石襯底上晶體質(zhì)量的提升、器件結構的優(yōu)化，超寬禁帶半導體AlN有望在高壓高頻領域持續(xù)引領技術創(chuàng)新。

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TED.2025.3532562