行业 | 日本NTT和东京大学开发出接近理想因子的AlN基SBD器件

2025-01-13 管理员


东京大学研究生院工学部研究科电气系工学专业的前田拓也课题组(以下简称东京大学)和日本电信电话株式会社(以下简称NTT)阐明了使用氮化铝(AlN)基半导体(注1)的肖特基二极管(SBD)(注2) 的电流传输结构。NTT通过开发低电阻欧姆电极形成技术和漏电流小的肖特基电极形成技术,制造出了几乎具有理想电流-电压特性的AlN基SBD。东京大学则通过对这种理想SBD的电流-电压特性和电容-电压特性的系统测量和详细分析,首次在世界上阐明了电流传输机制是由于隧道效应引起的热电子场发射(注3),并明确了决定肖特基接触特性的最重要物理性质值——势垒高度及其温度依赖性。该成果有助于实现AlN基电子器件。

 

译自原文
窒化アルミニウム系ショットキーバリアダイオードの電流輸送機構を解明

――低炭素社会に寄与する新しいパワー半導体デバイスの実現に向け大きく前進

 

原文链接
https://group.ntt/jp/newsrelease/2024/12/10/241210a.html

 

 

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AlN基SBD的电气特性测试

 

 

 

文章要点

 

◆NTT通过开发AlN基半导体的外延生长和器件技术,成功制作了具有几乎理想特性的AlN肖特基势垒二极管(SBD)。

◆东京大学阐明了这种理想的AlN基SBD的电流传输结构是源于隧道效应的热电子电场发射,并基于这种理解,明确了决定肖特基接触特性的最重要物理性质值——势垒高度及其温度依赖性。

◆阐明肖特基接触的电流传输机制和确定物理性质值对于器件设计至关重要,该成果可以说是实现AlN基器件实用化的重要见解。

 

 

 

概要

 

东京大学研究生院工学部研究科电气系工学专业的前田拓也课题组(以下简称东京大学)和日本电信电话株式会社(以下简称NTT)阐明了使用氮化铝(AlN)基半导体(注1)的肖特基二极管(SBD)(注2) 的电流传输结构。NTT通过开发低电阻欧姆电极形成技术和漏电流小的肖特基电极形成技术,制造出了几乎具有理想电流-电压特性的AlN基SBD。东京大学则通过对这种理想SBD的电流-电压特性和电容-电压特性的系统测量和详细分析,首次在世界上阐明了电流传输机制是由于隧道效应引起的热电子场发射(注3),并明确了决定肖特基接触特性的最重要物理性质值——势垒高度及其温度依赖性。该成果有助于实现AlN基电子器件。

 

背景

 

氮化铝(AlN)是一种具有6.0eV大带隙能量(注4)的超宽带隙半导体。这种AlN系半导体由于具有极高的绝缘击穿电场,例如,在电动汽车的电机驱动和充电过程中的交流/直流转换或频率转换等电力转换中,能够大幅降低电力损失,是一种极具潜力的功率半导体器件材料,AlN系功率半导体器件的实用化将有助于实现低碳社会。制造进行电力转换的电子设备必不可少的是晶体管和二极管,NTT此前已在世界上率先实现了AlN基晶体管(注5)。另一方面,二极管的制造工艺在全球范围内尚不成熟,由于欧姆电极的接触电阻大,尚未报告具有理想特性的二极管,其电流传输机制也未得到充分阐明。

 

 

成果

 

AlN基半导体由于带隙能量大,对电极金属和半导体的接触界面形成的电子的势垒高度非常大,难以形成低电阻的欧姆电极。NTT开发了用于AlN晶体管制备的Si掺杂组成倾斜铝镓氮(AlGaN)层(注6)的低电阻欧姆电极形成技术,将接触电阻降低到原来的十分之一以下。这是世界上AlN的最低接触电阻,是器件获得理想特性的必要条件。并且,通过减轻AlN基半导体干蚀刻时的等离子体损伤,抑制了AlN和肖特基电极间的漏电流。结果实现了迄今为止最陡峭的电流上升特性,成功制备出具有优良整流性的AlN基SBD(图1)。

 

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图1:AlN SBD的光学显微镜照片(左图)和器件结构剖面图(右图)。左图:AlN基SBD的光学显微镜图像。圆形图案是肖特基电极。右图:器件结构的剖面图。通过有机金属气相沉积(MOVPE)在碳化硅(SiC)衬底上生长组成倾斜的n型AlGaN层/n型AlN层。通过反应性离子蚀刻除去组成倾斜的n型AlGaN层的一部分,使n型AlN层露出,在其上形成肖特基电极。

 

东京大学对上述AlN基SBD的电气特性进行了详细、系统的评价。特别指出了在电容特性的评价中使用极低频(<10Hz)的重要性,根据半导体物理成功地得到了正确的有效施主密度及扩散电位、势垒高度。此外,关于这种电流传输机制,由于高有效施主密度和大扩散电位在肖特基界面产生高电场,势垒变薄,因此考虑到由于隧道效应而产生的热电子场发射。通过理论计算得出热电子场发射的电流值,与通过使用与电容-电压测量得到的势垒高度大致相同,确认与实验值一致,阐明了电流传输机制为热电子场发射(图2)。并且,在室温到300℃的宽的温度区域测量、分析电流-电压特性,明确了势垒高度的温度依赖性。这些都是利用具有近乎理想的电流上升特性的AlN基SBD,进行精密测量和解析后首次获得的成果。

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图2:AlNSBD的正向电流-电压特性。实线为实验值,虚线为计算值。蓝色为热电子发射(TE),红色为考虑隧道效应的热电子场发射(TFE)。通过使用与从电容特性得到的势垒高度(eΦb)大致相同的值,实验值和计算值非常一致,阐明了本研究中使用的AlN基SBD中的电流传输机制是TFE。

 

 

展望

 

 

肖特基接触是电子器件的基础结构,特别是势垒高度是决定SBD正向上升电压和反向泄漏电流的最重要的物理值。通过本研究,获得了具有近乎理想特性的AlN基SBD,并利用该近乎理想的AlN基SBD阐明了电流传输机制和势垒高度的温度依赖性,为AlN基半导体器件的发展做出了巨大贡献。今后,通过使用AlN基半导体的低损耗功率器件,有望为实现低碳社会做出贡献。

 

 

 

 

成果发表

 

会议:70th IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2024)

时间:2024年12月7日至11日

(论文公开时间为12月7日,发表时间为12月11日16:00-16:25。均为美国太平洋时间)

论文:Thermionic Field Emission in a Si-doped AlN SBD with a Graded n+-AlGaN Top Contact Layer

作者:Maeda, Yusuke Wakamoto, Issei Sasaki, Akihira Munakata, Masanobu Hiroki, Kazuyuki Hirama,Kazuhide Kumakura, Yoshitaka Taniyasu

 

研究资助

 

本研究受到了“青年研究(课题编号:23k13362)”项目的部分经费支持。

 

(注1)氮化铝(AlN)系半导体: AlN的带隙能量为6.0eV,非常大,作为一种超宽带隙(Ultrawide bandgap, UWBG)半导体受到关注。除了作为深紫外光器件的应用外,近年来,由于其显示出高的绝缘击穿电场,也期待作为功率器件或高频器件的应用。此外,由于带隙能量非常大,本征载流子密度极低,也期待作为能够在高温下工作的半导体器件的应用。此外,由于可以与氮化镓(GaN)或氮化铟(InN)等氮化物半导体形成混晶或异质结,因此可以实现能带结构的调制或利用极化诱导掺杂。

 

(注2)肖特基接触·肖特基势垒二极管(SBD): 当金属和半导体形成接合时,根据金属的功函数和半导体的电子亲和力的差,电子从半导体侧向金属侧扩散,形成具有能量势垒和内建电场的耗尽层。这种接合称为肖特基接触。通过外部电压改变半导体侧的电势,可以使电流从半导体侧流向金属侧。即,显示出二极管特性(整流性)。

 

(注3)热电子场发射: 当在肖特基接触界面施加高电场时,热分布的电子通过隧道效应越过能量势垒产生电流。这称为热电子场发射(Thermionic Field Emission, TFE)。特别是宽带隙半导体由于绝缘击穿电场高,能够施加高电场,因此,在对GaN或SiC等SBD施加大的反向偏压时,已知其漏电流是由热电子场发射控制的电流传输机制。此外,在高浓度掺杂的半导体中,也已知在正向特性中也会出现热电子场发射。

 

(注4)带隙能量: 在半导体或绝缘体等固体材料中,价带和导带之间存在能量差(间隙)。大致相当于原子间键的强度,带隙能量越大,物理和化学上越坚固,尤其是在高电场下能够承受,这对于高耐压器件应用是有利的。

 

(注5)世界首次实现AlN晶体管:世界首次实现氮化铝晶体管, 助力下一代功率半导体器件实现碳中和

 

(注6)成分梯度氮化铝镓(AlGaN): AlGaN是AlN和GaN的混晶,通过改变Al和Ga的组成比可以调制带隙能量。通过降低Al组成,可以降低势垒高度。在n型AlN上形成从高Al组成到低Al组成的连续变化的成分梯度AlGaN,实现了良好的欧姆接触。然而,由于氮化物半导体由于金属原子和氮原子的电负性不同而具有强极化,改变组成比会导致极化变化。在本研究中,对于生长方向(metal极性,<0001>轴方向),当Al组成减少时,通过极化诱导掺杂产生负的固定电荷(极化电荷)和相应的正空穴,通过进行足够超过该正空穴浓度的Si掺杂,形成了n型成分梯度AlGaN层。

 

 

 

 

原文源于【NTT官网】

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