KAUST研发出千伏级蓝宝石衬底AlN肖特基二极管

【研究梗概】：

超宽禁带半导体氮化铝具有超高击穿电场，在新型电子器件开发中展现出巨大潜力，受到全球研究者的竞相关注。近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学先进半导体实验室（Advanced Semiconductor Laboratory）在超宽禁带半导体氮化铝（AlN）肖特基势垒二极管（SBDs）性能优化上取得重要进展。团队通过氧富集快速热退火技术，成功将AlN SBDs的整流比提升至10⁷，击穿电压突破1150 V，同时保持低导通电阻。这是迄今公开报道中蓝宝石衬底AlNSBDs的最高性能。相关成果发表于国际权威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》上。论文第一作者为曹海城博士，通讯作者为李晓航教授。

【具体研究内容】：

超宽禁带半导体材料AlN因其超高击穿电场（>10 MV/cm）、卓越的热导率及优异的化学稳定性，一直被视为下一代高压功率器件的重要候选材料。然而，AlN功率器件的研究仍处于初期阶段，其外延层掺杂生长和后续器件制备工艺均面临诸多挑战。目前，多数研究主要集中在晶格失配更低的AlN或SiC单晶衬底上，以尽量降低位错缺陷对器件性能的负面影响，而基于蓝宝石衬底的异质外延及器件制备研究相对较少。鉴于蓝宝石基底成本低廉，已推动氮化物器件的快速商业化，其在未来市场中具备广阔应用前景，因此深入研究蓝宝石衬底上AlN功率器件的性能具有重要意义。

目前，蓝宝石衬底上制备的AlNSBDs一直面临高理想因子和高反向漏电流双重挑战。材料缺陷和界面态导致载流子输运偏离理想状态，而传统的等离子体处理或氧化层沉积工艺虽然在一定程度上可抑制缺陷，却往往引入新的表面损伤或显著增加导通电阻，难以兼顾器件性能与可靠性。针对这一难题，KAUST先进半导体实验室采用氧富集快速热退火技术，显著改善了蓝宝石衬底AlNSBDs的电性能。本研究中，所用AlN材料通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石衬底上实现外延生长，包括1.1μm无掺杂AlN层和250nm硅掺杂AlN层（掺杂浓度为1.2×10¹⁹cm⁻³），材料位错密度约为5×10⁸cm⁻²，器件制备则采用标准光刻及剥离工艺，图1（a-b）为器件结构示意图。

为系统探讨氧富集快速热退火处理对器件性能的影响，研究人员设计了三组样品：参照样品未经过任何处理；样品S1在550℃氧气环境中先后进行两轮各1分钟的快速热退火，随后利用BOE溶液去除表面富氧氧化层；而样品S2则接受了三轮1分钟的氧富集快速热退火处理后直接沉积肖特基金属。器件制备完成后，团队通过变温I–V、C–V及XPS等手段，对器件性能进行了全面表征。

测试结果显示，经过氧富集快速热退火处理的样品在室温下正向电流与参照样品基本持平，但反向漏电流显著降低，使得整流比提升至约10⁷。基于热电子发射模型的拟合分析，处理后肖特基二极管的理想因子由2.3降至2.04，而肖特基势垒高度则从1.56 eV提升至最高1.84 eV。XPS测试结果表明，经退火后Al 2p峰中Al–O组分显著增强，其比例由参照样品的9.17%提升至S1的22.28%和S2的23.24%，表明在AlN表面形成了一层薄型AlOx层，有效钝化了表面缺陷。同时，C–V测试显示，处理后的器件在耗尽区斜率明显增大，计算界面态密度由2.41×1013eV⁻¹cm⁻²下降至1.67×1013eV⁻¹cm⁻²，进一步验证了氧富集快速热退火技术在改善界面质量方面的卓越效果。

图1（a）AlN横向SBD的三维示意图，突出显示经过氧富集快速热退火处理后形成的O2扩散层（用红色标注）。（b）AlN SBD的SEM图像。(c) 在电极距离分别为30和190um时的破坏性击穿特征。(d) 击穿电压分布。

此外，温度依赖性测试表明，当温度从23℃升高至200℃时，处理后的器件依然维持稳定性能，其正向电流随温度上升而增大，而理想因子与势垒高度均展现出优异的热稳定性。在电极间距为190μm时，平均击穿电压由参照样品的938 V提升至1108 V，最高可达1150 V，展示了千伏级的阻断能力，参考图1（c-d）。

这一成果证明，氧富集快速热退火处理能有效抑制表面悬挂键及生长缺陷形成的缺陷辅助隧穿通道，实现AlN SBDs整流特性与击穿电压的协同优化，这一进展为高功率AlN器件的工程应用提供了新的技术路径。论文中建立的缺陷-性能关联模型也为进一步提升器件击穿电压、降低理想因子的器件优化策略提供了更多物理依据。该研究成果已发表于国际权威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》。未来，随着蓝宝石衬底上晶体质量的提升、器件结构的优化，超宽禁带半导体AlN有望在高压高频领域持续引领技术创新。

论文链接：https://doi.org/10.1109/TED.2025.3532562