译自原文
From wide to ultrawide-bandgap semiconductors for high power and high frequency electronic devices
原文作者
Kelly Woo, Zhengliang Bian, Maliha Noshin, Rafael Perez Martinez,Mohamadali Malakoutian, Bhawani Shankar and Srabanti Chowdhury，Department of Electrical Engineering and Department of Mechanical Engineering, Stanford University.
原文链接
https://doi.org/10.1088/2515-7639/ad218b , Journal of Physics: Materials, Volume 7
项目支持方
ULTRA——美国能源部科学办公室基础能源科学研究处资助的能源前沿研究中心(EFRC)
译者注
1） 由于全文较长，近50页（含参考文献），本文仅翻译了摘要和第三节AlGaN/AlN材料和器件相关部分，对其它部分感兴趣读者可以至https://doi.org/10.1088/2515-7639/ad218b链接免费下载全文。
2） Stanford大学这篇综述中有关AlGaN/AlN材料和器件部分均没能阐述其最新进展（如AlN单晶材料进展截止10多年前），而最近几年AlN/AlGaN材料及其各类器件技术进展/迭代迅速，奥趋团队对其最新进展综述将在与西安电子科技大学、香港大学、Stanford University、Infineon、IMEC等国内外知名机构合著的书籍“GaN Power Devices for Next Generation Power Electronics”中出版（已交稿，预计2025年上半年出版），感兴趣的读者到时候可以参考。
摘要
宽禁带和超宽禁带（U/WBG）材料因其巨大的带隙特性，能够提升器件性能，在半导体器件领域受到了广泛关注。这些卓越的材料特性有望使器件在高功率、高频率和极端环境条件下更加稳健和高效。尽管前景光明，但超宽禁带材料的物理特性仍不被充分理解，导致理论预测与实验器件行为之间存在显著差距。为了填补这一知识空白，并确定进一步研究可以产生最大影响的领域，本综述概述了U/WBG材料的进展和局限性。综述首先讨论了GaN，这是一种更为成熟的宽禁带材料，它为建立基本概念和解决相关挑战奠定了基础。随后，综述重点转向对各类超宽禁带材料的探究，包括AlGaN）/AlN、金刚石和Ga2O3。对于这些材料，综述深入探讨了它们的独特性质、生长方法和当前最先进的器件，主要关注它们在功率和射频电子器件中的应用。
1. 引言
宽禁带（WBG）材料，比如SiC和GaN，在光学、电力电子和射频（RF）技术等众多领域大放异彩。这让它们的应用范围迅猛扩张，也在市场上崭露头角。它们的独特魅力就在于能在高温和苛刻环境下稳定工作。如今，WBG材料的飞速发展正引发人们对一类新兴半导体——超宽禁带（UWBG）材料的强烈关注，这类材料的带隙更宽。正因为WBG和UWBG材料拥有较大的带隙，所以展现出了卓越的抗电场击穿能力，给电子器件和系统带来了一系列优势。比如提高效率、能在高温下运转、体积更小、系统设计更简化，还能降低整体成本。
最终，这些技术的成功开发可能会带来更广泛的积极影响，如减少碳排放和缩小数字鸿沟。
在具体的器件应用方面，目前GaN已在照明技术中确立了其主导地位，并在雷达和电信方面做出了显著贡献。此外，GaN在功率电子方面也取得了重大进展。另一方面，SiC在中高功率电子学方面表现出色，并且是GaN射频技术的优秀衬底。因此，SiC和GaN之间既相互依存，又存在竞争关系，共同塑造了现在的应用和市场格局。它们的共同成功已牢固地确立了WBG材料在技术版图上的地位，也为探索UWBG材料铺平了道路。
表1. GaN和新兴超宽禁带（UWBG）半导体材料的特性及其Baliga和Johnson优值（参考文献中）
图1. (a) 以蜘蛛网图形式展示的U/WBG半导体材料特性；(b) U/WBG材料与硅相比的理论BFOM（巴利加-约翰逊品质因数）
半导体技术的重要性和可持续性往往是通过其市场规模来衡量的。在功率半导体领域，预计到2027年，SiC的全球市场规模将达到60亿美元，而GaN的市场规模将达到20亿美元。这种显著增长主要归因于混合动力和电动汽车的扩展以及包括电源、军用/航空应用以及可再生能源和智能电网在内的其他几个关键领域的扩展。在GaN射频市场方面，2022年的年收入预计为18亿美元，到2028年将增至27亿美元。这一显著商业收入主要来自于无线基站的功率放大器中使用高电子迁移率晶体管（HEMTs）。另外，GaN在射频方面的更高效率和可靠性，在国防部门的雷达系统中得到了宝贵的应用。
超宽禁带（UWBG）材料，如AlGaN/AlN、金刚石以及β-Ga₂O₃，其应用与宽禁带（WBG）材料类似；然而，由于其带隙显著大于3 eV，它们有望提供更高的性能指标。GaN和UWBG材料的电学特性列于表1，并在图1中进行了说明。要量化一个器件是否适合功率应用（特别是低频单极功率开关），有个简单的方法就是看其巴利加优值（BFOM）：Vbr²/Ron,sp 或者 ¼ εµEcr³。其中，Vbr指的是击穿电压，Ron,sp 是比导通电阻，ε是介电常数，µ是载流子迁移率，Ecr是临界电场。较高的值表明器件能够在导通状态下承受高阻断电压，同时产生最小的导通损耗，这可以在图1(b)中可视化。因此，通常与带隙成比例的临界电场对BFOM有很大的影响。对于高频功率应用，使用约翰逊优值（JFOM）：vsatEcr/2π，其中vsat是饱和速度。根据这两种优值，UWBG材料与GaN相比提供了显著的性能提升，而GaN本身在高功率和频率器件性能上远远超过了Si。
在这篇综合性的综述文章中，我们的主要关注点是探索以GaN为成熟技术引领的电子器件技术，以及正在兴起的技术，AlGaN/AlN、金刚石和β-Ga2O3。我们的讨论将围绕这些感兴趣材料的各个方面展开，包括它们的材料特性、生长技术、器件和应用，提供它们在电子器件技术领域重要性的充分概述。尽管我们认识到SiC的重要性，但本文并未包括这一材料，我们希望引导感兴趣的读者查阅一些关于这一主题的最新优秀综述。
3. AlGaN/AlN
3.1 材料特性
本文从GaN开始，现在我们转向超宽带隙（UWBG）材料家族，首先是AlGaN，这是一种III-V族材料。具有不同Al摩尔分数的AlGaN合金因其可调节的带隙范围广阔，从3.4到6.0电子伏特（eV），而备受关注。随着Al组分的增加，材料的带隙增大，直至100%形成AlN。更高的临界电场可以使器件在更低的漏电流和更高的击穿电压下运行。因此，具有更高Al组分的AlGaN引起了高度关注。与GaN相反，AlN具有最宽的直接带隙之一，为6.0 eV，这使其在紫外光电器件应用中受到广泛关注。AlN的大带隙导致其具有很高的临界电场，为15.4 MV/cm，以及非常高的热导率（最高报告值为321 W (m·K)-1），这自然使其对功率和射频电力电子具有吸引力。
与GaN类似，由于极化诱导电荷的作用，在不同Al组分的AlGaN/AlGaN界面（两个不同AlGaN组成）处无需任何故意掺杂即可形成二维电子气（2DEG）。不同AlGaN沟道中的2DEG迁移率会根据沟道的Al组分以及势垒材料而有所不同，主要受合金散射的支配。例如，据报道，分子束外延（MBE）生长的具有Al0.06Ga0.94N和Al0.15Ga0.85N沟道的高电子迁移率晶体管（HEMTs）的2DEG迁移率分别为590 cm2 V-1 s-1和430 cm2 V-1 s-1。尽管这些迁移率值低于GaN 2DEG沟道中的值，但随着Al摩尔分数的增加，预计击穿电压会更高。例如，假设GaN的临界电场为3 MV/cm，对于75% Al摩尔分数的AlGaN沟道，估计其临界电场大于9 MV/cm。
在AlN中，测得的最高室温体电子迁移率为426 cm2 V-1 s-1，对应的Si掺杂浓度为3×1017 cm-3，而在掺杂浓度更高的AlN（1018 cm-3）中，实现了125 cm2 V-1 s-1的迁移率。此前，同一研究小组在掺杂浓度约为1015 cm-3的低掺杂条件下仅测得125 cm2 V-1 s-1的值。巨大的迁移率提升归因于在生长过程中通过抑制Al和N源的寄生反应，减少了穿型位错的数量。
3.2 生长与掺杂
3.2.1 体AlN单晶生长
在AlN的不同多晶型中，由Heinrich Otto于1924年首次报道的纤锌矿晶体结构，是目前对体AlN单晶和外延生长AlN研究最为广泛的结构。对于体AlN单晶的生长，氢化物气相外延（HVPE）和物理气相传输（PVT）是两种最广泛使用的方法。通常，由于AlN的高熔点（2800℃）和解离压（20 MPa），使用常见的晶体生长方法如提拉法和热熔法难以生长AlN晶体。尽管HVPE和PVT方法都已被用于生长低螺旋位错密度（约为103 cm-2）的厚AlN薄膜，但与PVT方法相比，HVPE生长速度明显较慢。因此，由于其更简单、更安全的生长过程、更快的生长速率以及良好的晶体完整性，PVT方法主要用于体AlN单晶的生长。主要采用两种PVT方法：在4H-/6H-SiC衬底上生长厚AlN，如图10（a）所示，以及自发成核后生长自支撑AlN。对不同生长温度和SiC取向的PVT-AlN在SiC模板上的生长进行详细研究进一步表明，非轴向Si面SiC提供了平坦的形貌和更好的晶体质量。迄今为止，通过PVT制备的最大AlN晶片直径为40 mm，杂质浓度低于0.01%（译者注：目前AlN单晶衬底最大尺寸为4英寸，约100 mm）。
图100（a）用于物理气相传输法生长体AlN单晶的自发成核坩埚设计；（b）使用PVT法生长的AlN层的俯视图；（c）在不同生长温度（1045℃ - 1220℃）下生长的AlN层的对称（0002）和非对称（
）X射线衍射分析（XRD）扫描图，以及在850℃下生长的成核层的原子力显微镜（AFM）表面形貌图。
3.2.2 AlN的外延生长
为了实现AlN的外延生长，已经展示了包括MOCVD、MBE、脉冲激光沉积（PLD）和溅射在内的几种方法。MOCVD方法因其较低的沉积温度和较宽的生长温度范围而适合大规模生产。利用MOCVD，在单晶AlN衬底上展示了具有低背景杂质浓度的高质量AlN同质外延层。通过夹层法（a sandwich method）以及使用图案化的蓝宝石衬底，还在蓝宝石衬底上实现了厚约2 μm、无裂纹、高晶体质量的AlN生长，如图10（c）所示。据报道，通过在硅（111）衬底上直接沉积的薄条纹图案AlN种子层，生长出具有低裂纹和穿透位错密度的外延侧向过度生长AlN层。 利用MBE进行AlN的外延生长受限于较慢的生长速率；然而，生长过程更容易控制。利用MBE，通过氮化步骤改善了在蓝宝石衬底上的AlN生长，从而获得了更好的表面形貌。此外，利用MBE直接在Si衬底上使用纳米线模板生长出了平滑且无应变的AlN。PLD方法用于在相对较低的温度800℃下生长较薄的AlN薄膜，具有良好的晶体结构和化学计量比。在最佳生长条件下，在Si衬底上展示了厚度仅为约1.5 nm的单晶AlN层。对于大面积沉积AlN薄膜，溅射方法具有更简单的工艺和更低的成本优势。利用射频反应溅射，在c轴蓝宝石衬底上直接生长了AlN层，并发现随着反应溅射过程中氮气比例的增加和射频功率的提高，晶体质量得到改善。
3.2.3 AlGaN的外延生长
继1986年在低温AlN缓冲层上实现高质量GaN生长之后，过去三十年中，AlGaN和AlGaN/GaN异质结的生长受到了广泛关注，其在高温、高功率、射频和光电子器件方面具有广阔的应用前景。AlGaN薄膜最初作为生长GaN或AlN外延层的缓冲层。随着多年来对生长机制的深入理解和生长工艺的优化，通过采用如MBE和MOCVD等外延生长技术，AlGaN薄膜的质量得到了提高。例如，利用MOCVD在1050℃下生长的Al0.2Ga0.8N层，通过插入低温AlGaN中间层，实现了同时减少张应力和裂纹形成，这通常是直接在GaN外延层上生长高温AlGaN时观察到的现。据报道，在多孔GaN伪衬底上的GaN上生长出了完全弛豫、无裂纹、1.3 μm厚的Al0.32Ga0.68N层（图11（a））。此外，还利用MOCVD展示了具有80%-90%和80%-100% Al组分梯度的UID AlGaN外延层。通过低温和富集氨条件等工艺条件优化，将AlGaN的生长速率提高到3.2 μm/h。同时，发现Al组分受生长温度和生长速率的影响。
HVPE方法也用于生长具有低穿透位错密度和更光滑表面的AlGaN。通过HVPE在AlN/纳米图案蓝宝石衬底（NPSS）模板上外延生长Al0.10Ga0.90N，由于平面应力弛豫，AlGaN外延层的穿透位错密度低至1.4×109 cm-2。进一步探索了HVPE中的工艺优化，如蚀刻以抑制寄生反应，以在GaN和AlN模板上实现厚n-AlGaN包层和自支撑的AlGaN衬底。还报道了在单晶AlN衬底上利用MBE生长的高Al摩尔分数的AlGaN合金，如图11（c）所示。例如，利用MBE以0.3 μm/h的生长速率生长出了伪晶AlxGa1-xN外延层，其中x约为0.6-1.0。
图11（a）在10×10 μm2伪衬底方块上生长的1.3 μm Al0.32Ga0.68N的20×20 μm2原子力显微镜（AFM）高度图像；（b）通过HVPE在传统蓝宝石衬底（CSS）边缘、CSS中心以及AlN/纳米图案蓝宝石衬底（NPSS）模板上生长的Al0.10Ga0.90N的X射线衍射（XRD）扫描图案；（c）MBE的AlGaN指导图和AlN生长相图。黑色星号表示富Al缓冲层AlN生长条件。圆圈是在AlGaN层中使用的Al通量，三角形是在AlGaN生长过程中的总金属通量（FAl + FGa）。在体AlN单晶衬底上生长的MBE-AlGaN和AlN的层结构显示了在体AlN衬底上生长的Al含量x = 0.61、0.86和0.89的UID-AlₓGa₁₋ₓN的2×2μm2 AFM图像。
3.2.4 AlGaN/AlN中的掺杂
为了使超宽带隙（UWBG）材料在技术相关应用中得到成功采用，掺杂及其可控性被视为基石。与GaN相比，AlGaN的掺杂难以实现，并且随着Al含量的增加，掺杂此类合金的能力显著降低。这可以归因于大多数掺杂剂电离能随着带隙的增加而增加，因此热力学激活的自由载流子的比例减少。对于AlGaN/AlN，利用破坏晶体对称性的掺杂策略，如极化诱导掺杂，对于补充传统的化学替代掺杂很有用。调制掺杂也被用于增加材料系统中束缚载流子的数量。已经研究了多种p型掺杂方法，如超晶格掺杂、Mg δ掺杂和Mg-Si交替共掺杂，以提高富铝AlGaN的掺杂效率。利用Mg-δ掺杂，实现了8.3×1018 cm-3的空穴浓度，Mg掺杂浓度为1.6×1019 cm-3，表明掺杂效率高达51.9%。 另一方面，Si主要用于作为高Al含量AlGaN的n型掺杂剂，包括AlN。例如，Taniyasu等人展示了Si掺杂AlN的n型导电，其室温霍尔迁移率为426 cm2 V-1 s-1，电子浓度为7.3×1014 cm-3。该研究还展示了在800℃下热退火10分钟的Mg掺杂AlN的p型导电，Mg浓度为2×1020 cm-3。超过2×1020 cm-3的浓度时，由于自补偿效应，Mg掺杂AlN变得高度绝缘，这一现象也在n型Si掺杂AlN中发现。通常，Si含量的增加会导致自由电子的增加；然而，这种趋势在更高掺杂水平时不会继续。Si浓度的进一步增加会导致自由电子浓度的降低，通常被称为补偿膝。各种补偿缺陷可能是罪魁祸首，但这些缺陷的机制和身份尚未最终确定。研究人员还尝试了不同的掺杂剂，并成功展示了使用金属调制外延（MME）方法的n型AlN:Si薄膜和p型AlN:Be薄膜。
图12 （a）p-InGaN/i-AlₓGa₁₋ₓN/n-AlₓGa₁₋ₓN二极管结构的示意图；（b）在室温下不同Al组分二极管的正向电流-电压（I-V）特性；（c）Al0.3Ga0.7N PN二极管的示意图；（d）显示1627 V击穿电压的Al0.3Ga0.7N PN二极管的反向电流-电压特性（插图——制备的直径为50 μm的p型金属接触二极管光学图像）。
3.3 AlGaN器件及应用
3.3.1 高功率器件
3.3.1.1 PIN二极管
AlGaN组分的较大带隙有望为基于AlGaN的PIN二极管提供极低的反向漏电流和异常高的击穿电压。2006年，Nishikawa等人展示了MOVPE生长的AlGaN PIN二极管，其本征层分别为未掺杂的Al0.13Ga0.87N和Al0.22Ga0.78N。PIN结构生长在导电的n型SiC衬底上，并被p型InGaN层覆盖，这有助于降低欧姆接触电阻。仅使用约225 nm厚的本征层，Al0.22Ga0.78N二极管就提供了78 V的击穿电压和1 mΩ·cm2的导通电阻，而参考GaN二极管表现出较低的54 V（图12（a）和（b））。假设本征层完全耗尽，相应的临界电场分别计算为3.5 MV/cm和2.4 MV/cm。2007年，同一研究小组报告了另一种PIN二极管，其本征层为Al0.57Ga0.43N（225 nm），显示出185 V的击穿电压，从而得到8.1 MV/cm的临界电场。30%的Al组分显示出最大的BFOM，因为击穿电压和导通电阻之间存在权衡，其值是基于GaN的二极管的两倍，显示出基于AlGaN的器件在高功率运行方面的潜力。 2016年，报道了在非导电蓝宝石衬底上生长的MOVPE Al0.3Ga0.7N准垂直PN二极管，实现了非常低的反向漏电流，小于3 nA。该二极管的击穿电压为1600 V，估计的临界电场为5.9 MV/cm（图12（c）和（d））。作为比较，具有相同击穿的理想平面GaN PN二极管将需要一个约7 μm厚的漂移区，背景载流子浓度低于2.4×1016 cm-3。在1.5 mA cm-2的电流密度下，报告了16 mΩ·cm2的特定导通电阻。相对较高的电阻是前接触器件几何形状中n型接触层的结果，但与在蓝宝石上生长的GaN PN二极管报告的14 mΩ·cm2相当。
3.3.1.2 高电子迁移率晶体管（HEMTs）
在电力电子领域，垂直器件结构通常因面积效率高和消除表面态效应而受到青睐。尽管如此，由于具有更高的沟道迁移率优势，U/WBG材料中的横向器件结构仍然很重要，如GaN沟道HEMTs所示。以前，已经介绍了AlGaN在AlGaN/GaN HEMTs中的作用。在这里，只讨论完全的AlₓGa₁₋ₓN结构。横向和垂直AlGaN器件结构都还处于初级阶段，但由于现有的体生长限制，横向器件更容易实现。已经有多项研究报道了AlGaN沟道HEMTs的生长和器件优化。Al0.53Ga0.47N/Al0.38Ga0.62N的HEMT结构实现了1650 V的最大击穿电压，栅极到漏极距离为10 μm。2010年，首次报道了一种高Al组分超过0.5（Al0.51Ga0.49N）的AlGaN沟道HEMT。该HEMT结构生长在自支撑AlN衬底上以提高晶体质量，制造出的器件表现出最大漏极电流为25.2 mA mm⁻¹，击穿电压为1800 V。由Zr/Al/Mo/Au组成的金属堆叠被发现对于以AlN为势垒层的AlN/AlGaN HEMT的源极和漏极欧姆接触显示出低接触电阻率。这种HEMT还在300 K到573 K的温度下显示出漏极电流的低退化，显示出稳定的高温运行。2016年展示了一种Al0.85Ga0.15N沟道HEMT，显示出非常低的关态漏电流，为10⁻⁷ mA mm⁻¹。该器件报告的击穿为810 V，对应于0.81 MV/cm的平均场。由于材料的不成熟状态，这只是Al0.85Ga0.15N中预测的临界电场（13 MV/cm）的一小部分。尽管大多数文献讨论了基于金属极性AlGaN沟道的HEMT结构的研究，但最近展示了基于MOCVD生长的N极性AlGaN沟道HEMT结构，这些结构在AlₓGa₁₋ₓN沟道中的Al摩尔分数各不相同。具有0.2摩尔分数Al在沟道中和3 μm沟道长度的N极性全AlGaN HEMT提供了375 mA mm⁻¹的驱动电流，同时保持了约0.5 nA mm⁻¹的低导通态漏电流和大于400 V的击穿电压，这对于高功率电子应用非常有前景（图13）。
图13（a）具有Al0.20Ga0.80N通道层和Al0.30Ga0.70N通道层的全AlGaN N极性HEMT器件的示意图；（b）Al0.20Ga0.80N通道和Al0.30Ga0.70N通道HEMTs的模拟能带图。（c）、（d）这些结构的X射线衍射（XRD）光谱（（002）平面的2θ-ω扫描，确认了全AlGaN HEMT结构的化学计量比。
3.3.2 射频HEMTs
基于AlGaN沟道的高频器件HEMT结构在过去十年中取得了显著进展。Raman等人展示了一种低Al组分Al0.06Ga0.94N沟道HEMT，显示出13.2 GHz的fₜ和41 GHz fmax。在4 GHz，输出功率为4.5 W mm⁻¹，显示出AlGaN沟道HEMTs在高压开关和微波功率应用方面的潜力。Bajaj等人在缩放的梯度AlGaN（0%-30% Al）沟道中展示了几乎恒定的fₜ和fmax 曲线，fₜ为52 GHz，相应的fmax为67 GHz，所展示的平坦fₜ和fmax 曲线有助于提高器件的线性性能。2018年，首次报告了线性梯度AlGaN沟道极化掺杂场效应晶体管（PolFET）的X波段功率和线性性能，三阶输出截距（OIP3）为33 dBm，OIP3/PDC（直流功耗）为3.4 dB。2020年，Xue等人报告了一种Al0.65Ga0.35N/Al0.4Ga0.6N HEMT，电流密度为900 mA mm⁻¹，fₜ为20 GHz，fmax为36 GHz。这些器件中的关态击穿电压为80 V，栅极到漏极间距为1 μm，栅极长度为100 nm。同一研究小组即使在高正向栅极偏压VGS为12 V时，也展示了异常低的栅极漏电流密度，为1.4×10⁻⁸ mA mm⁻¹，同时实现了大于1010的电流开关比。小信号测量显示，对于相同的Al组分，该器件的fₜ为3.8 GHz，fmax 为4.5 GHz。2018年首次报告了Al组分超过80%的AlGaN沟道晶体管的射频运行，对于0.8 μm的栅极长度，显示出令人印象深刻的265 mA mm⁻¹的电流密度。报告的fₜ/ fmax分别为5.4/14.2 GHz。还报道了一种Al0.75Ga0.25N/Al0.6Ga0.4N HEMT，对于130 nm的栅极长度，漏极电流密度（ID, max为460 mA mm⁻¹。小信号测量显示电流/功率增益截止频率（fₜ/ fmax）为40 GHz/58 GHz。此外，还报道了一种80 nm栅极的Al0.85Ga0.15N/Al0.7Ga0.3N HEMT，显示出160 mA mm⁻¹的最大电流，fₜ为28.4 GHz，fmax 为18.5 GHz（图14）。
图14 具有80 nm栅极以及源极到栅极和栅极到漏极间距均为500 nm的HEMT的射频性能：（a）在VGS = 2.75V和VDS = 20 V条件下的小信号增益性能；（b）对于一个2×50 μm2的HEMT，在VGS = 3.75 V和VDS = 20 V的偏置条件下，3 GHz A类功率扫描。在此，功率增益（Gp）、转换增益、输出功率和功率附加效率作为输入功率的函数进行了绘制。
3.4 AlN器件及应用
3.4.1 高功率器件
3.4.1.1 肖特基势垒和PN二极管
2015年，通过HVPE在AlN（0001）籽晶衬底上同质外延生长了厚的n型AlN层，并使用Ni/Au肖特基接触制造了SBD。观察到高整流特性，开启电压约为2.2 V，反向击穿电压大于550V。Maeda等人报道了一种在AlN单晶衬底上制造的AlN准垂直SBD。通过等离子体增强MBE生长了未掺杂的AlN层、Si掺杂的Al0.9Ga0.1N电流扩展层和AlN缓冲层。据报道，该器件能够承受至少100 V的反向击穿电压；然而，导通电阻较高（1.8 Ω·cm2）。2017年，Fu等人首次展示了在蓝宝石衬底上通过MOCVD生长的1 kV级AlN SBD。该器件显示出1.2 V的低开启电压、相对较高的开关比约为105以及小于1 nA的低反向漏电流。这些器件还在超过500 K的温度下表现出优异的热稳定性，并且在没有使用任何额外边缘终止方法的情况下，击穿电压约为1 kV（图15（a）和（b））。研究人员已经展示了少数基于AlN的PIN二极管，因为生长厚AlN层的挑战仍然是主要障碍，此外还有掺杂的困难。然而，最近，一种AlN PN二极管展示了近乎理想的约6 V的开启电压，空穴浓度为3.1×1018 cm-3，电子浓度为6×1018 cm-3。
3.4.1.2 金属-半导体场效应晶体管（MESFETs）
2022年，Hiroki等人报道了首个具有外延生长的n型AlN沟道层的AlN MESFET，并实现了1.72 kV的关态击穿电压，沟道栅极到漏极距离为16 μm。这一结果归因于使用具有独特设计的反应器的高温MOCVD生长出相对低缺陷的AlN。为了实现良好的欧姆接触，在AlN和金属电极之间使用了梯度AlGaN层。随着温度从室温升高到500℃，导通电流和跨导均增加，同时保持了1.6×10-11 A mm⁻¹的小反向漏电流，从而即使在500℃时也能实现约105的大开关比。这些结果表明，具有外延生长的n型AlN沟道层的AlN MESFETs在高温下的高电压应用中具有很大的潜力（图15（c）-（e））。
图15（a）通过MOCVD在蓝宝石上生长的AlN肖特基势垒二极管（SBD）的示意图，以及（b）在不同温度下的正向电流-电压（I-V）特性，展示了1 kV的击穿电压；（c）首次展示的AlN金属-半导体场效应晶体管（MESFET）的示意图，（d）16 μm栅极-漏极长度器件的击穿特性，以及（e）击穿电压与栅极到漏极长度的关系。
原文源于【IOPScience】
（以上文章由奥趋光电翻译，如有涉及版权等问题，请联系我们以便处理）
END
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