编者按
奥趋光电（Ultratrend Technologies）公众号2025年1月13日翻译、刊载了Stanford University宽禁带及超宽禁带高功率高频电子器件综述，英文原文2024年发表于Journal of Physics: Materials, Volume 7。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。
受英国IET出版社的邀请，即英国工程技术学会（Institution of Engineering and Technology， 前身是著名的百年学术机构英国电机工程师学会IEE），奥趋光电团队对AlN材料生长及其器件进展进行了最新综述，该英文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。
本文为其中文翻译版，为方便阅读，部分顺序、章节进行了调整，如基础理论调整至后半部分，略有增改或删减。文末参考论文均有可直接点击的链接（大部分全文需要访问权限），感兴趣的读者到时可以参考本文英文全文，预计2025年正式出版。
氮化铝（AlN）因其卓越的性能而成为极具潜力的新一代超宽带隙半导体、关键性战略新材料。作为第四代超宽禁带半导体，AlN具有最高的禁带宽度、高热导率、高击穿场强、良好的紫外透光率、化学和热稳定性等优异性能，是高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底材料，在紫外探测/预警、保密通讯、量子计算、5G/6G射频、新一代相控阵雷达、新一代智能电网等领域具有广泛应用前景。
AlN材料特性及其应用领域
数十年来，硅材料一直是半导体行业的基石，推动了现代计算和信息技术的发展。然而，根据摩尔定律，硅基电子器件正逐渐接近其物理和性能极限[1,2]。将宽禁带半导体（WBS），如GaN和SiC，引入电子行业，是为了满足对更高效率、更优性能以及在比硅更极端条件下运行的需求。在过去的几十年中，SiC和GaN彻底改变了照明和光学数据存储领域，显著提高了射频（RF）和功率效率，并对声学器件产生了影响[3,4]。然而，随着对更高电压、光子能量、热耗散和可靠性的需求不断涌现，这些材料已无法满足未来应用的要求[5-7]。超宽带隙（UWBG）半导体，AlN/AlGaN、β-Ga₂O₃和金刚石，其带隙远大于SiC/GaN，为半导体材料、物理、器件和应用领域提供了令人兴奋且充满挑战的机会[8]。超宽带隙半导体相较于同类材料具有显著的潜在优势（综合性能指标高出超10倍），使其适合用于新一代电子器件，这些器件能够在比现有技术更高的功率、频率和温度下运行[9-11]。表1对比了目前具备大规模商业化应用基础和条件的各种半导体材料的特性。
Table 1. Comparison of selected material properties of AlN with those of other commercially viable semiconductor materials [6]
AlN是一种III族氮化物超宽带隙（UWBG）化合物半导体材料，以其卓越的性能而闻名，大部分综合指标参数在所有半导体材料中排名第一或第二，例如在室温下具有约6.2 eV的宽带隙、高达15.4 MV/cm的高击穿场强、340 W/mK的高热导率[12]、高载流子迁移率、高饱和速度和高电阻率[13,14]。这些独特的特性使其成为一种卓越的半导体材料，吸引了众多关注，尤其是在涉及高功率、高频率射频（RF）和功率电子器件、深紫外（DUV）光电子器件以及量子传感和计算等先进技术应用领域[5-11]。此外，AlN的化学稳定性、抗辐射能力和机械硬度使其成为在恶劣环境下运行和高温稳定性方面的理想材料[5,6]。这些应用（如图1所示）可以分为以下几类，每类应用都利用了其某方面的独有特性。
Figure 1: Potential applications of bulk AlN substrates
1.1 光电器件及光量子计算与通信
AlN为直接带隙半导体，禁带宽度高达6.2 eV。因此，在光电子领域，AlN能够实现深紫外光谱范围内（低至约200 nm）的光发射与探测[15]。AlN具有从紫外（UV）到中红外波段的宽光谱透过性，结合其高热导率，使其成为制备紫外光电子器件的理想材料，如UVC-LEDs、紫外激光（UVC-LDs）以及紫外探测器和传感器。这些器件可提供高功率、稳定的半导体紫外光源，广泛应用于消毒、医疗照明和半导体加工等领域[16-20]。在深紫外波段的发光能力对于这些应用尤为重要，因为高能量的光子能够有效地与生物材料和化学物质相互作用。
AlN具有非中心对称的纤锌矿晶体结构，展现出显著的二阶/三阶非线性光学效应，使其成为基于泡克耳斯效应的调制器和二次/三次谐波发生器等光子应用的理想材料[17,21]。AlN波导具有低损耗和高折射率对比度的特点，有助于实现紧凑的器件设计和高效的光传输。材料的高热导率和低热光系数确保了在温度波动和高光功率下仍能保持稳定，这对于高功率应用至关重要。此外，AlN的宽带隙支持形成具有离散能级的量子点和其他纳米结构，这对于量子计算和通信技术来说是必不可少的。这些独特的材料特性，再加上AlN与CMOS的兼容性，使其成为下一代集成光子器件的通用平台。这些器件能够对通信、传感、计算和量子信息处理等应用中的量子比特进行操控和转换，并且具有广泛的频率范围能力[21-24]。
1.2 高性能功率电子器件
Figure 2: Comparing various semiconductor materials applied in electronic devices
AlN是目前禁带宽度最大的半导体材料，并展现出高达15.4 MV/cm的临界电场，这一数值远高于SiC和GaN（约5倍左右）。如此巨大的带隙使得AlN在性能上实现了巨大的飞跃，其不仅拥有最高的临界电场，还拥有超高的Baliga和Johnson的优值（如图2所示）[5-8]。AlN的重要性还源于其能够与AlGaN合金实现热匹配和晶格匹配，从而能够制备出需要精确热匹配及最小化热应力的异质结构，这种结构与现有的半导体制备基础设施完全兼容，能够更快的导入现有的制备平台，降低制备成本。AlN还具有高热导率，这使得基于AlN的器件能够有效散热，从而提升器件的性能和可靠性。这些特性，加上其对电子和空穴都具有高饱和速度，有利于高速射频电子器件，使其成为更高效、更强大的高电压电子器件优秀候选材料，如肖特基势垒二极管（SBD）、场效应晶体管（FET）和高电子迁移率晶体管（HEMT），并被认为是满足新一代柔性智能电网唯一候选材料[6]。此外，AlN的高电阻率（约为10¹² Ω·cm）[13]，进一步增强了其在需要绝缘性能以最小化信号损失的应用中的适用性。这些特性使得AlN能够用于高功率放大器和开关，这些器件需要高击穿电压和高频运行。AlN的高化学稳定性和抗辐射能力也使其适合在极端条件或环境中使用，例如太空或核电站，传统半导体材料在这些环境中可能会迅速性能衰减。
1.3 MEMS
AlN的非中心对称晶体结构，加上其压电和热释电特性，使其成为热释电光电探测器、光机械器件和压电换能器的热门材料[25-26]。这些特性能够将机械应力转换为电信号，反之亦然，从而在高频滤波器、传感器、执行器和能量收集器等领域得到应用。
总结来说，AlN独特的电子、光学和热学性能组合——宽带隙、高热导率、高临界电场、宽光谱透过性、高机械强度、高化学稳定性和强压电效应——使其成为从高功率、高频率电子器件和紫外光子学到量子技术和恶劣环境设备等一系列应用领域的卓越材料。它与现有半导体制备基础设施的兼容性、与现有CMOS制备工艺的集成潜力以及在极端条件下运行的能力，进一步增强了其在开发下一代器件和系统中的吸引力。随着技术的进步和新应用的开发，其在半导体行业的重要性日益增加，这些新应用充分利用了其独特的特性。然而，在提高材料成熟度方面仍面临挑战，尤其是在衬底质量、掺杂技术和器件制备工艺等工程技术方面，这些对于实现其在实际应用中的全部潜力至关重要。
AlN基器件最新进展
2.1 基础开发进展
实现p-n和p-i-n结是控制半导体材料中电流的基础。历史上，AlN被认为是一种绝缘体，但最近几年的研究进展表明，通过杂质掺杂和无掺杂的分布式极化掺杂（DPD），可以实现n型和p型导电性[191-199]。例如，Ahmad等[193]在室温下实现了AlN的显著p型导电性，空穴浓度范围为2.3×1015至3.1×1018 cm⁻³，这是p型AlN器件的一个重要里程碑。Ahmad等[194]的进一步研究展示了AlN的半导体功能，包括p型和n型导电性，并实现了一个PN结 AlN二极管，其开启电压接近理想值。使用DPD[196,197]使得在不需要高浓度Mg掺杂的情况下制备高质量p型层成为可能，而由于Mg在AlN中的高激活能，这在历史上一直是一个挑战。Kumabe等[196]展示了使用DPD的近乎理想的基于AlN的垂直p-n二极管，其具有6.5 V的低开启电压、3 mΩ·cm²的低比导通电阻和在宽温度范围内的理想因子。这些器件还展示了高达7.3 MV/cm的高击穿电场，几乎是4H-SiC和GaN报告的临界电场的两倍，突显了AlN在极端环境下用于功率器件的适用性。与此同时，AlN与其他半导体材料（如GaN）的集成，催生了具有卓越性能的异质结构。此外，AlN晶体生长的重大进展使得大尺寸、高质量的AlN单晶衬底得以实现，从而能够生长出具有低位错密度的高质量外延层。
所有这些基础研究成果对于实现比在蓝宝石或SiC等异质衬底上生长的器件具备更好的性能和可靠性至关重要，并为基于AlN的高功率、高频率电子器件和DUV光电子器件铺平了道路。随着这些基础问题的解决，全球各地的研究团队最近几年展示了众多具有创纪录性能的功率电子和光电子器件。
2.2 光电器件
与GaN/SiC类似，AlN单晶衬底技术的早期发展是由DUV光电子器件推动的，包括UVC-LED、UVC-LD以及探测器和传感器。一个主要障碍是实现220-280 nm范围内的DUV透光率。最近的研究进展表明[54,149,152]，在265 nm处吸收系数降低到低于10 cm⁻¹，在220 nm处低至16 cm⁻¹。AlN单晶衬底已商业化应用于消毒和分析应用的高功率UVC-LED，并且具超长使用寿命[54]。在AlN单晶衬底上发射230-237 nm的Far-UVC LED实现了超过5000小时的使用寿命[200]。特别值得注意的是，诺贝尔获奖者天野浩教授团队[19]首次报告了在AlN单晶衬底上工作的基于AlGaN的UVC激光二极管在室温下实现了连续波（CW）激光，工作波长为274.8 nm，阈值电流密度低至3.7 A/cm²，阈值电压为9.6 V。
除了UVC发射器外，AlN单晶衬底也非常适合用于探测器结构。与在蓝宝石衬底上的探测器相比，使用AlN单晶衬底展示的光电探测器暗电流密度降低了4个数量级[201]。雪崩光电二极管显示出漏电流密度的改善，与异质衬底相比，大面积日盲器件在AlN单晶衬底上显示出显著的性能提升[202-205]。
2.3 高性能功率器件
最近几年，众多基于AlN的高性能电子器件，包括高电子迁移率晶体管（HEMTs）、肖特基势垒二极管（SBDs）和场效应晶体管（FETs），已在AlN单晶衬底上成功实现。这些器件表现出令人兴奋的关键性能，例如低理想因子、高击穿电压和增强的电子迁移率，这些成就归功于诸如电场工程、δ掺杂和成分梯度等技术的进步。
2.3.1 高功率、高频HEMTs器件
HEMTs对于高功率和高频率应用至关重要。在AlN单晶衬底上制备HEMTs的首次尝试可以追溯到2010年代[206-209]。最近几年的进展在性能指标方面取得了显著进步。例如，Ozaki等[210]展示了一种X波段的HEMT，其在70 V时的输出功率密度为15.2 W/mm，随后Kotani等[211]通过使用LPCVD（低压化学气相沉积）生长的高击穿场SiNx层，将这一指标提升至惊人的24.4 W/mm，并实现了1.4 A/mm的高漏极电流操作和258 V的击穿电压。Kim等[212]首次报道了N极性GaN/AlGaN/AlN HEMTs，其导通电流为2.6 A/mm，频率超过ft/fmax=68/100 GHz，并且后来实现了2.85 A/mm的峰值漏极电流密度和平均击穿场强>2 MV/cm[213]。Wolf等[214]实现了创纪录的功率密度1.17 GW/cm²，击穿电压为2.2 kV。Chen等[215,216]通过在AlN/GaN/AlN量子阱HEMTs中设计电场，提高了电子迁移率，实现了1035 cm²/Vs的迁移率，并且达到了迄今为止报道的最低片电阻。
2.3.2 高频开关SBDs器件
SBDs对高频开关应用至关重要，使用AlN单晶衬底的SBDs也取得了显著进展。Quiñones等[217]展示了与掺杂硅的AlN接触的近乎理想的肖特基接触，其理想因子低至1.5，并且在高达650°C的温度下保持稳定。他们进一步报道了另一种非凡的SBD[218]，其理想因子低至1.2，低导通电阻为0.6 mΩ·cm²，高电流密度为5 kA·cm⁻²，以及高达680 V的高击穿电压。Mudiyanselage等[219]实现了击穿电压超过3 kV的SBDs，具有良好的整流特性，导通/截止比率为10⁶–10⁸，并且在298至623 K的温度范围内表现出优异的热稳定性。在Mudiyanselage等[220]的后续研究中，展示了低理想因子为1.65的AlN-on-AlN横向SBDs，并且实现了创纪录的高归一化击穿电压640 V。这些进展突显了基于AlN的SBDs在高功率和高频应用中的潜力，特别是在极端环境中的应用。
2.3.3 场效应晶体管
场效应晶体管也从使用AlN单晶衬底中受益，后者为AlN和AlGaN层的生长提供了一个高质量的平台，从而实现了高击穿电压和低漏电流。例如，Mamun等[221]展示了在AlN单晶衬底上的Al₀.₈₇Ga₀.₁₃N/Al₀.₆₄Ga₀.₃₆N MOSHFETs，其峰值漏极饱和电流为610 mA/mm，三端击穿场强为3.7 MV/cm。Mehta等[222]展示了Al₀.₂₃Ga₀.₇₇N通道HFETs，其最大漏极电流密度超过300 mA/mm，比导通电阻为4 mΩ·cm²，缓冲层击穿场强超过10 MV/cm。Da等[223]展示了漏极击穿电压超过2 kV且具有高平均击穿场强的AlN MESFETs，并进一步增强了这些器件的可靠性。
总之，随着AlN材料在质量、掺杂控制和器件欧姆/肖特基接触方面的进展，各种基于AlN的器件层出不穷，AlN的独特性能使其成为下一代高功率、高频电子器件以及深紫外光电子器件的领先材料。
AlN单晶生长基础
与大多数半导体材料不同，在典型的温度和压力条件下，从化学计量比的熔体中同质生长出体块III族氮化物晶体是不切实际的[27,28]。这种限制主要是由于熔体所需的高温以及晶体在显著较低温度下就会发生分解。这种分解源于氮分子之间的强键合作用以及氮化物晶体的低自由能特性[29]。因此，通常通过气相沉积或溶液法来生长体块III族氮化物单晶[28,30]。
气相法是生长AlN体单晶的主要方法。AlN最早是在1862年由Briegleb和Geuther通过熔融铝与氮之间的化学反应人工合成的[31]。然而，直到20世纪70年代中期，Slack和McNelly才引入了物理气相传输（PVT）方法，也称为升华法，为该领域的后续研究活动奠定了基础[27]。迄今为止，PVT生长方法是唯一成功用于生产直径达4英寸且生长速率足够的AlN体单晶方法。在Slack和McNelly开创性工作之后，还开发了PVT法之外的其他方法，包括氢化物气相外延（HVPE）、金属有机化合物气相沉积（MOCVD）、高温卤化物化学气相沉积（HTCVD）和分子束外延（MBE）。此外，溶液生长和直接铝氮化等技术也正在研究中[32,33,34,35]，尽管它们仍处于基础研究的早期阶段，距离实际应用还有相当长的距离。
PVT方法一直是生长高质量体块AlN晶体的主导方法。许多研究团队开发了专有的PVT技术，利用不同的生长装备、热场、坩埚系统和工艺来生长具有不同结晶质量和光学特性的体单晶。在AlN单晶衬底上的同质外延工艺和在SiC衬底上的异质外延工艺是生长大尺寸AlN体单晶的两种典型技术。由于AlN在自然界中不存在，用于同质外延的第一代高质量AlN籽晶通常是通过在近平衡生长条件下的自发形核方法或简单地通过晶粒选择来制备的。需要注意的是，后一种方法通常会导致较小且质量较差的籽晶，这是由于随机成核以及周围晶体相互施加的额外应力所导致。
理解底层生长机制对于优化这些技术并实现所需的晶体特性至关重要。在本节中，我们将首先介绍生长机制，随后讨论生长设备、热场，最后，我们将简要探讨AlN中的缺陷和杂质。
3.1 生长机制
无论采用何种技术，PVT生长过程都涉及在氮气氛围下在封闭或半封闭坩埚中进行的几个关键工艺过程[36]，包括：a) 高纯度分解的AlN（氮化铝）粉末源的升华；b) 由于热梯度和浓度梯度，分解后的气态物种向较冷端的质量传输；c) 气态物种的吸附/脱附；以及 d) 表面扩散和成核。
传统上，PVT生长也被称为升华-再凝结过程。实际上，AlN并不是升华，而是从1750°C至1850°C的低温开始发生化学计量分解，并在较冷端重新凝结，可以用以下简单的化学反应表示：
2 AlN(s) ⇌ 2Al(g) + N2 (g) (1)
上述分解和沉积行为，无论从理论还是实验上都已得到了很好的描述，主要受温度和气压的控制。在不考虑环境氛围的情况下，分解过程可以为生长腔提供近乎化学计量比的铝和氮气态成分。其他可能存在的气态相，如亚稳态的AlₓN（x = 2,3,4），浓度非常低，一般可以忽略不计[35]。通常采用外部氮气压力来补偿氮分子的低粘附系数，并支持随后的吸附/脱附行为。因此，生长实验通常在50-120 kPa的高纯氮气氛围下进行，这远高于实际分解的N2气体分压。
在过去几十年中，生长腔中气态物种（主要是铝、氮气和C/O杂质）的传输机制也得到了广泛讨论[38-51]。生长腔中的气态物种主要通过体积升华产生的对流（也称为斯蒂芬流）和浓度梯度驱动从源端传输到较冷端的菲克扩散，温度梯度引起的浮力也起作用。源端和籽晶表面的气态摩尔通量Jᵢ可以通过赫茨-克努森方程准确确定，如下所示：
(2)
其中，u是混合气的流动速度向量，
是蒸发/沉积表面的单位法向量，R是气体通用常数，χi、αᵢ、Mᵢ、pᵢ和pᵢe分别是物质i的摩尔浓度、粘附系数、分子量、分压和平衡压。
对于吸附/脱附过程，由于铝的高活性，铝的粘附系数通常被假设为1。氮气的粘附系数αN₂可以通过以下方程评估[51]
(3）
其中，T是温度。由于氮分子的强键合，AlN生长表面上的αN₂评估值极低（范围在10⁻⁵到10⁻⁷之间），这显著减缓了氮在生长表面上饱和的过程。沉积表面上的生长速率νg可以表示为：
(4)
其中，MAlN和ρAlN分别是AlN的分子量和密度。一个控制生长行为的关键参数（包括寄生成核）是过饱和度S，计算如下：
(5)
这里，PAl和PN₂分别是生长反应器中铝和氮气的分压。Kp(T)是反应（1）的平衡常数，可以通过标准热力学性质来确定，例如在JANAF表中找到的相关性质。
AlN的生长速率可以通过全局建模和模拟相当准确地预测。对于基础理论，完整的控制方程、相关的边界条件以及计算程序在参考文献[38-51]中已经完备地建立，这里为了简洁不再重复。然而，可以通过以下由[39,51]推导出的简化一维模型快速估算大致的生长速率：
（6）
其中，k、A和B是常数，T、PT、∆T和δ分别是生长温度、总气压、源和沉积表面之间的温差和距离。
从方程（6）可以看出，AlN晶体的生长速率强烈依赖于沉积温度和环境气压。通过PVT方法生长AlN晶体的温度通常在1850°C至2300°C之间[29,36]，具体取决于所采用的生长技术，因为固态AlN在高于2300°C的温度下可能会分解成液态/气态铝和氮气[52]，而液态铝在如此高的温度下非常活泼，会破坏任何热场材料。AlN晶体生长的上限温度被认为大约是2400°C。然而，为了实现高结晶质量AlN及晶体生长的表面扩散，以实现商业化应用的高生长速率，较高的温度是有利的[53]。据报道，铝分压通常被认为是AlN生长的限制因素[48]。通过热力学计算、生长实验以及全局数值建模和模拟，已经广泛研究了AlN生长的窗口和合适的参数，读者可以参考相关文献[38-51]。
3.2 生长设备/热场及生长习性
正如之前提到的，生长具有高结晶质量的AlN晶体通常需要在极高的温度下进行。这一过程耗时较长，通常需要数百小时才能完成，尤其是在工业规模生产的情况下。此外，实现具有合理直径扩展的高质量AlN晶体，很大程度上取决于在轴向和径向方向上建立适当的温度梯度。因此，选择合适的加热方法对于生长过程至关重要。目前，射频（RF）感应加热被广泛使用[27,54-57]。RF加热利用电流的磁效应在坩埚表面产生热量。RF加热的主要优势在于其高效性，因为它可以在坩埚内直接产生热量，或者在某些系统中，在感应体内部产生热量。此外，这种方法能够实现快速且均匀的热量分布。另一方面，电阻加热是PVT生长的另一种选择，它利用电流通过导体产生的焦耳热作为热源。电阻加热的主要优势在于其温度控制的灵活性，以及在使用多个加热器时的长期生长稳定性[58,59]。然而，由于磁场干扰，向射频感应加热系统中增加多个加热线圈是困难的。对于纯钨设置，由于钨加热屏中会产生电流，射频感应加热甚至无法有效实现。这两种常见的加热装备及其相关热区在图3中进行了演示。
Figure 3: PVT growth reactors with hotzones by RF induction heating with a graphite setup [55] (top), and by two resistive heaters with a tungsten setup [105] (middle). Fully automatic tungsten-based PVT growth reactors for 2-inch bulk AlN crystal production (bottom), with courtesy of Ultratrend Technologies Co. Ltd.
坩埚系统是热区的关键组成部分。在早期，对多种坩埚材料进行了全面的研究[60-67]，包括带或不带SiC/TaC涂层的石墨、热压氮化硼（BN）、钨（W）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）以及其他材料。目前，钨和碳化钽被认为是生长AlN晶体最合适的选择，因为它们具有惰性、稳定性和耐用性。碳化钽具有最低的蒸汽压，显示出其用于高纯度AlN晶体生长的潜力。与此同时，钨不仅具有低蒸汽压，而且与AlN相比热收缩率极小。然而，它会与源自原料、籽晶或环境中的碳[68]或硅[69-72]杂质发生反应。钨与碳和硅的高反应性显著降低了其在富含碳的环境中作为坩埚的使用寿命，因为它会通过碳化作用形成WC，而WC在AlN生长条件下是不稳定的。
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