应用AlN的极端温度器件

具有AlN沟道的二极管和晶体管具有高击穿电压特性，可在极高温度下工作

作者：Hironori Okumura，筑波大学

许多人类活动正在扩展到极端环境，通常是为了开发资源。这使得探索向各个方向发展，包括地下深处、海洋深处和深空。在所有这些环境中，温度都是极端的——金星表面、深井钻探以及工作中发动机内部空间的温度都超过300℃。

要了解有关所有这些环境的更多信息，需要部署传感器。但最常见的那些——即基于硅的感器——由于工作温度限制相对较低，无法胜任这项任务。这意味着，为了丰富我们在这些环境中的生活，我们需要开发极端温度电子产品。

当所有形式的半导体器件在极端温度下工作运行时，它们会面临与材料、电极、栅极氧化物和封装相关的问题（见图1）。随着温度升高，电子从价带最大值激发到导带最小值，因此会产生大量电子-空穴对。这些电子会增加本征载流子浓度（见图2（a）），从而造成不利影响，因为它们会增加器件的漏电流，阻止其关闭。减少漏电流的方法包括引入具有较大带隙能量和较低本征载流子浓度的半导体材料（见图2（b）），或限制电流从沟道以外的区域扩散。采用高电阻率层包围的沟道层，有效施主/受主浓度低，缺陷浓度低，可以提高器件的工作温度。另一种方法是部署具有p-n结的器件，例如JFET和BJT。在这些情况下，为电极选择与基础半导体反应性最小的难熔金属也很重要。尤其，钛、钒、钽、钼、钨和铂比铝、镁、铜、银、铟和金更适合此用途。

△ 图1：具有栅极氧化物的MESFET中的漏电流路径和热退化点。

△ 图2：（a）高温下电子-空穴对生成的图示。（b）硅、SiC、GaN、β-Ga₂O₃、金刚石和AlN的本征载流子浓度与温度倒数的关系。

为什么使用AlN？

有许多半导体材料的带隙比硅更大。它们包括SiC（3.3 eV）、GaN（3.4 eV）、Ga₂O₃（4.7-5.2 eV）、金刚石（5.5 eV）和AlN（6.1 eV）。由Philip Neudeck带领的NASA团队报告称，SiC JFET可以在超过800℃的温度下工作。这无疑是一个引人瞩目的结果，不过带隙更宽的材料还有望达到更高的温度。然而，其中不少有明显的缺点。GaN的有效施主浓度高达10¹⁶ cm^-3；不可能形成p型Ga₂O₃层；金刚石在700℃左右开始与氧气发生反应。与之形成鲜明对比的是，AlN没有明显缺陷，并且具有热稳定性和可控掺杂性。由于这些特性，我们筑波大学的团队一直将所有注意力都集中在AlN上，旨在开发极端温度器件。

从历史上看，人们一直认为氮化铝只能作为绝缘体。然而，大约20年前，NTT的Yoshitaka Taniyasu及其同事通过MOCVD生长导电AlN层证明了情况并非如此。该团队记录了掺杂浓度为3×10¹⁷ cm^-3的硅掺杂AlN层的电子迁移率为426cm² V^-1 s^-1。在这项工作的基础上，他们继续开创p型AlN生长，并展示了首款波长为210 nm的AlN LED和准垂直型AlN p-n二极管。这些成功要归功于最近基于AlGaN和AlN的深紫外LED的快速发展。

除了光学器件之外，研究界为了探索高临界电场的潜在优势，还研究了AlN肖特基势垒二极管和AlN/AlGaN HEMT。可惜的是，由于施主和受主的电离能较高，这些器件的载流子浓度较低——硅为0.3 eV，镁为0.6 eV。因此，这两种掺杂剂的载流子浓度比它们的浓度低大约两个数量级，导致器件的电流非常小。为了克服这个问题，我们的团队与麻省理工学院和阿尔托大学的研究人员合作，通过在N极性AlGaN/AlN结构中引入极化诱导掺杂，开辟了新的领域。由于自发极化和压电极化，这种形式的掺杂可以增加电流并降低接触电阻。利用极化诱导掺杂，我们展示了首款N极性AlN基PolFET和HEMT，其漏极电流超过100 mA mm^-1。基于这样的成功，我们将氮化铝定义为光学和电气器件领域的实用半导体。

为了生产这些器件，我们得到了许多材料供应商的支持。2英寸蓝宝石衬底上的高质量AlN样品可从Dowa Electronics Materials购买，2英寸块状AlN可从Stanley和Asahi Kasei购买。

掺杂AlN

控制半导体中掺杂剂的浓度是在晶体生长、热扩散和可能的注入过程中掺入杂质。后者是一项有吸引力的技术，能够实现精确的剂量控制并确保掺杂剂的高横向均匀性。然而，当采用高剂量注入时，它们往往会损坏晶格并引入高浓度的点缺陷，由此会补偿掉载流子。幸运的是，大部分损坏可以通过后续热退火来修复，我们在生产硅注入的n型AlN沟道时就使用了热退火。

AlN晶体（包括其表面）令人印象深刻的特性之一是在高温下的鲁棒性，在高达1700℃的氮气下仍能保持稳定。这种鲁棒性为修复注入损伤提供了宽阔的窗口——该过程需要1200℃以上的温度来电激活硅注入的AlN层。

但请注意，选择退火温度时需要慎重考虑，因为它可能会导致材料发生其他变化。超过1400℃时，硅和氧杂质会在上面的层内扩散。由于氧原子从蓝宝石衬底中扩散，在氮气下在1500℃时分解，蓝宝石衬底上的薄的AlN层在高温退火后会具有较高的氧浓度，导致电特性下降。

通过与麻省理工学院、阿尔托大学、TNSC和Dowa Electronics Materials公司合作，我们研究了AlN中硅、氧和镁原子的扩散（见图3）。我们的研究表明，使用3毫米厚的AlN层进行退火后，从蓝宝石衬底扩散的氧原子无法到达沟道层。由此我们得出结论，具有硅和镁注入的导电AlN层的优选退火温度范围分别为1200-1600℃和1400-1500℃。基于这些认知，我们展示了首个AlN沟道晶体管。

△ 图3：（a）1600°C退火后3μm厚的硅注入AlN层中硅、氧和碳的杂质浓度的深度分布。（b）退火后1毫米厚的镁注入AlN层中镁浓度的深度分布。

当器件的制造涉及接近热平衡的条件时，例如外延生长和高温退火，有利于形成电离能为250-320 meV的深能级。这往往会导致硅施主的自我补偿，这种情况与我们的结果一致。

同时，使用非平衡工艺，例如离子注入，可以增加电离能为64-86 meV的浅施主数量。这促使北卡罗来纳大学和Adroit Materials的Hayden Breckenridge及其同事通过硅注入和在1200℃的相对低温下进行后退火来生产高导电性的AlN层。另一个振奋人心的结果来自京都大学，AlN的替代镁受主结合能仅为250-410 meV，该值远小于普通MOCVD生长的AlN层中镁受主的电离能。总而言之，这些结果表明，如果在掺杂硅和镁的AlN中能够重复且轻松地控制非平衡工艺条件，这可能会为性能大幅提高的电子和光学器件打开大门。

AlN的电性能

为了提高AlN基器件的电气性能，需要做的不仅仅是解决因低载流子浓度而受到损害的n型和p型AlN层的高电阻率问题。此外，还需要解决由于电子亲和力小而导致的高接触电阻率问题。在室温下在AlN中形成欧姆接触尤其具有挑战性。电压降由肖特基势垒的高度决定，肖特基势垒的高度取决于金属功函数和半导体电子亲和势之间的差异。通过适当选择电极材料来降低势垒高度，可以产生欧姆接触。n型AlN的选择有钛、铝、钒和钼，而p型AlN的欧姆接触可以使用钯和NiO。

半导体材料中重掺杂的影响之一是由于耗尽区宽度减小，导致隧道效应穿过势垒。最顶层AlN表面的重掺杂对于欧姆接触非常重要。然而，由于AlN层中硅和镁掺杂剂的浓度限制在10¹⁹ cm^-3左右，可能是由于补偿缺陷形成，因此场发射隧道效应没有应用前景。

为了确定半导体结构中的载流子浓度和载流子迁移率，研究人员倾向于采用霍尔效应测量。由于这些测量需要欧姆特性，一些研究使用了重掺杂的GaN接触层。由此能够在室温和高温下测定AlN的电性能。我们与其他人一起评估了高温下的载流子浓度和载流子迁移率，分别获得了在超过200℃和500℃的温度下n型和p型AlN的值。

在进行这项研究时，我们发现了一个与高温测量相关的新问题。由于我们缺乏适用于极端温度的粘合和封装技术，因此必须应用探针台。我们还发现普通探头尖端在高温下会退化。请注意，大多数报道的器件最高工作温度不超过500℃，这意味着在高于此温度时电气特性的测量不可靠。

我们与Dowa Electronics Materials公司合作，利用高温探针系统评估了蓝宝石衬底上3m厚的AlN层的电气特性，该高温探针系统在高真空下的最高测量温度为900℃。为此，我们在室温下将硅注入AlN层中以获得n型电导；在150 nm深的箱型掺杂分布中，浓度为2×10¹⁹ cm^-3。这些硅注入的AlN层随后在1500℃下进行退火。然后，我们沉积Ti/Al/Ti/Au电极用于欧姆接触，然后在950℃下合金化。

我们的电极在877℃时退化，可能是由于Ti/Al和AlN之间的反应。这就需要寻找适合极端温度下欧姆接触的金属。针对考虑到的温度，我们观察到电流-电压关系在127℃以下呈非线性，在227℃以上几乎呈线性。经过评估227℃至827℃之间的电气特性发现，薄层电阻和接触电阻率随着温度的升高而降低。从227℃到627℃，随着温度的升高，电子迁移率略有下降，但由于施主电离增强，电子浓度增加，导致高温下薄层电阻降低。由此我们得出结论，n型AlN层在极端温度下表现出优异的性能。

二极管和晶体管

我们在蓝宝石衬底上制造了具有硅注入AlN层的肖特基势垒二极管和MESFET。我们的二极管能够在827℃的温度下工作（见图4），超越了之前的所有记录，而我们的晶体管的工作温度高达727℃（见图5）。AlN肖特基势垒二极管在室温下的击穿电压为610 V，而AlN MESFET在727℃下的相应击穿电压为176 V。我们认为这些器件实际上是可行的，因为它们具有简单的结构，并且AlN层生长在大尺寸、低成本的蓝宝石衬底上。

△ 图4：（a）具有硅注入AlN沟道的肖特基势垒二极管的横截面。Ni/Au阳极和Ti/Al/Ti/Au阴极。（b）AlN肖特基势垒二极管在27°C至827°C范围内的电流密度-电压特性。

△ 图5：（a）具有硅注入AlN沟道的MESFET横截面示意图。（b）AlN MESFET在727°C时的直流输出特性。

为了制造肖特基势垒二极管和MESFET，我们使用Ni/Au作为阳极和栅极接触。我们发现镍具有热稳定性，即使在827℃下也几乎不与AlN发生反应。更重要的是，就电气特性而言，我们发现Ni/Au和Pt/Au之间几乎没有差异。对于肖特基势垒二极管，由于本征载流子浓度低和热稳定的Ni/AlN界面，即使在827℃下，关断电流也很小。然而，由于底部未掺杂AlN层的泄漏和高浓度的缺陷，AlN MESFET的断开状态漏极电流在727℃时很高。与硅器件中的电流在高温下由于声子散射而下降不同，我们发现AlN肖特基势垒二极管和MESFET的正向电流随着温度高达827℃而持续增加。我们将此归因于极端温度下AlN器件中的电流主要由电子浓度的增加和接触电阻率的降低决定，而电子迁移率的降低则起着次要的作用。

我们开发的AlN器件为制造可在极端温度下工作的半导体器件开辟了一条新途径。尽管肖特基势垒二极管和FET的开关比与温度之间存在权衡（见图6），但AlN器件仍有很大的改进潜力。例如，通过同质外延生长和引入JFET结构的结合，应该可以提高极端温度下的开/关比。其他改进可能来自耐热欧姆接触的引入，而不是钛/铝/钛/金，此举会将工作温度提高到877℃以上。

△ 图6：基准图，将AlN器件与其他最先进的（a）肖特基势垒二极管和（b）FET的电流开关比与测量温度进行比较。

对于大多数极端温度应用，IC需要长期可靠的运行。此类电路采用互补技术制造，具有n沟道和p沟道。京都大学的工程师开发了一种可在350℃温度下工作的SiC互补JFET逻辑门。我们希望我们的工作可以朝着类似的方向发展，生产出能够在极端环境下工作，具有同质外延AlN沟道的互补JFET。

扩展阅读

• Y. Taniyasu et al. “An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres” Nature 441 325 (2006)

• P. G. Neudeck et al. “Demonstration of 4H-SiC Digital Integrated Circuits Above 800 ° C” IEEE Elec. Dev. Lett. 38 1082 (2017)

• H. Okumura et al. “AlN metal–semiconductor field-effect transistors using Si-ion implantation” Jpn. J. Appl. Phys. 57 04FR11 (2018)

• J. Lemettinen et al. “N-Polar Polarization-Doped Field Effect Transistor based on AlGaN/AlN with drain current over 100 mA/mm” IEEE Elec. Dev. Lett. 40 1245 (2019)

• A. G. Baca et al. “Al-rich AlGaN based transistors” J. Vac. Sci. Technol. 38 020803 (2020)

• M. Hayden Breckenridge et al. “Shallow Si donor in ionimplanted homoepitaxial AlN” Appl. Phys. Lett. 116 172103 (2022)

• M. Hiroki et al. “High-Temperature Performance of AlN MESFETs with Epitaxially Grown n-Type AlN Channel Layers” IEEE Elec. Dev. Lett. 43 350 (2022)

• H. Okumura et al. “Impurity diffusion in ion implanted AlN layers on sapphire substrates by thermal annealing” Jpn. J. Appl. Phys. 61 026501 (2022)

• H. Okumura et al. “Mg implantation in AlN layers on sapphire substrates” Jpn. J. Appl. Phys. 62 020901 (2023)

• H. Okumura et al. “Temperature dependence of electrical characteristics of Si-implanted AlN layers on sapphire substrates” Appl. Phys. Exp. 16 064005 (2023)