目前，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）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，但是若将GaN中的一部分Ga替换为较轻的Al并制成AlGaN（氮化铝镓），将会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被寄予厚望成为下一代功率电子材料。
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，高导热系数。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，电场强度对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 3.39~6.02 eV间可调，极大地覆盖了紫外光区，且包含了整个日盲区，因此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 0.6 eV，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，AlGaN材料光学性质方面的优势吸引学者们的广泛关注。
AlGaN材料制备
在过去的20年里，金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）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 （TMGa）和氢化物的气相混合物使用H2气氛在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；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的基本原理是将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，三甲基铝（TMAl）与NH3反应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，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的高温环境，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低廉溅射设备，不需要MOCVD技术；
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。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
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紫外及深紫外器件
AlGaN的禁带宽度可以从3.39 eV连续调节到6.20 eV，其紫外截止波长可从365 nm（GaN）调节到200 nm（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、寿命短和工作电压高的缺点，而AlGaN的直接带隙结构导致了高量子效率、低表面复合率和耐高温高压，可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。
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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，在室温下即可获得高达1500 cm2/VS的电子迁移率及高达 2x107 cm/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、高击穿电压等的要求越来越迫切。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地满足上述要求，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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原文转载于公众号【人工晶体学报】