高功率器件又一材料选择！美国高校：n型AlN器件最新突破

超宽带隙氮化铝（AlN）作为高功率电子器件的高吸引力材料脱颖而出。然而，AlN功率器件由于接触电阻率超过10-1 Ω cm2而面临性能挑战。在本工作中，通过直接应用于n型AlN的精细金属化工艺，实现了10-4 Ω cm2级别的低接触电阻率。最小的接触电阻率达到5.82 x 10-4 Ω cm2。分析揭示，低接触电阻主要归因于稳定的TiAlTi/AlN界面，即使在严格的退火条件下也具有弹性，这有利形成了一个薄的Al-Ti-N中间层，促进了大量的氮空位，增强了界面处的净载流子密度，并降低了接触势垒。这项工作标志着在实现n型AlN的优越欧姆接触方面迈出了重要的一步，为更高效的功率电子和光电器件铺平了道路。

近期，由美国南卡罗来纳大学和纽约州立大学奥尼昂塔分校联合组成的研究团队提出了一种基于脉冲金属有机化学气相沉积（PMOCVD）的硅掺杂新技术。与传统 MOCVD 过程相比，PMOCVD 技术通过特殊的前驱体脉冲式引入方式，在金属富集条件下实现硅掺杂。在 1100℃、40 torr 的相同条件下，利用 PMOCVD 技术生长的 n 型 AlN 层，其传输线模型电流比传统方法高出一个数量级。该研究成果已发表在《复合半导体》上。

AlN:Si常规层和PMOCVD层的4和8μm间距tlm电极的电流-电压特性。Insets显示了n-tlm方案。

具体实验中，首先使用传统 MOCVD 在 1150℃下生长 200 nm 厚未掺杂 AlN 层，随后分别采用传统 MOCVD 与 PMOCVD 技术生长 200 nm 厚硅掺杂 AlN 层。结果显示，PMOCVD 生长的 AlN 层表面粗糙度均方根值仅 0.42 nm，低于传统方法的 0.92 nm。其在离轴（1012）与轴向（0002）方向的高分辨率 X 射线衍射线宽分别为约 21 弧秒与 15 弧秒，均优于传统方法生长层的 39 弧秒与 26 弧秒，且与起始衬底测量值接近。通过倒易空间晶格映射证实其为伪晶结构，估算其位错密度约为 103 cm⁻2，与体材料衬底相当，横截面透射电子显微镜数据也支持这一结论。

在室温光致发光测试中，所有样品均在 5.93 eV 处显示出 AlN 带边发射，PMOCVD AlN 层强度最高，表明其质量更好。对于硅掺杂层，在 3.2 eV 处出现额外峰值，归因于硅掺杂引起的空铝位形成。值得注意的是，PMOCVD 样品与传统方法样品在相同温度下生长且均出现该峰值，其电导率差异可能源于脉冲掺杂技术减少了点缺陷。

(a) Si掺杂的pmocvdaln外延层的室温TLM测量。(b) 对于图6(a) 的样品的12μm间隔tlm电极的温度依赖性i-v曲线; (c) 对于大体积衬底上的pmocvdsi掺杂的n-aln层，作为温度的函数的薄层和接触电阻率。

进一步制备传输线模型测试结构，测量室温下的电流 - 电压特性。PMOCVD 样品在25V 偏压下的峰值电流比传统硅掺杂样品高出一个数量级，表明 PMOCVD 生长过程中采用的金属富集条件增强了硅掺杂效果。PMOCVD 掺杂样品的室温薄片电阻与接触电阻率分别为 6.3 MΩ/□与 7.4×10⁻3 Ω・cm2，低于以往报道值。温度依赖性测试表明，从室温到 200℃，薄片与接触电阻率均下降数个数量级，准线性对数 Rsh(T) 关系表明主要机制为供体离化。通过阿伦尼乌斯作图计算出供体离化能约为 139 - 161 MeV，低于以往报道的 280 MeV，归因于 PMOCVD 生长过程中硅的掺杂机制不同。

综上所述，研究团队成功利用 PMOCVD 技术实现了硅掺杂 n 型 AlN 在体材料 AlN 上的生长。通过选择性掺杂实现金属富集条件，使掺杂与正向电流密度比其他报道高出一个数量级，确立了脉冲掺杂技术作为有效控制 AlN 层中点缺陷与缺陷准费米能级的方法的有效性，为推动 AlN 在电子器件领域的应用提供了新的技术路径。

文章来源：
https://doi.org/10.35848/1882-0786/adadc2

来源：未来产链

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