下一代功率电子材料--AlGaN

到目前为止，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）作为功率电子器件晶体管的半导体材料的研发已经取得进展，并且已经开始实用化。通常由轻元素构成的半导体的介电击穿电阻较高，但是如果将GaN中的一部分Ga替换为较轻的Al并制成AlGaN（氮化铝镓），则将获得具有优异的介电击穿电阻的晶体。因此，具有更高介电击穿电阻的AlGaN作为下一代功率电子材料被寄予厚望。

AlGaN材料性质

化学性质方面，AlGaN材料继承了AlN和GaN优秀的化学稳定性。在室温下，不与水、强碱和强酸反应；在高温下，与碱缓慢反应。优秀的化学稳定性决定了AlGaN基器件适用于多种极端环境。

物理性质方面，AlGaN材料具有极高的熔点，导热系数高。同时，该材料的质地坚硬，非常适用于制备高温高压等环境中工作的器件。此外，AlN、GaN和AlGaN在晶格常数以及导带价带位置上有差距，因此在形成异质结时，会产生自发的极化，并且表现出一定的压电特性，可以用来制备压电器件。再者，AlGaN材料还具有较大介电常数，因此也能用来制备高频高功率器件。

电学性质方面，电场强度在一定程度上对于AlGaN的电子迁移率影响较小，该特性使得AlGaN材料可以用来制备微波器件。由于材料真空电离能较高，且化学惰性很强，因此难以实现欧姆接触，尤其是p型欧姆接触。目前，主要通过在AlGaN表面额外生长一层p型GaN来实现p型欧姆接触。

光学性质方面，AlGaN是直接带隙半导体，具有很高的发光效率。在带隙宽度方面，通过调整Al：Ga比例可以实现带隙在3.39-6.024eV间可调，极大地覆盖了紫外光区，并且包含了整个日盲区，目前GaN/AlGaN异质结构是日盲探测器的首选。此外，AlN的电子亲和能只有0.6eV，在某些条件下甚至能为负值，这意味着Al组分较高的AlGaN材料可以制备高效率的发光器件。目前，光学性质方面的优势是AlGaN材料吸引巨大研究热情的主要原因。

AlGaN材料制备

金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）在过去的20年里已经发展成为Ⅲ-Ⅴ族氮化物外延生长的主要技术。

1967年，Manasevit等研究者发现，金属有机化合物三甲基镓（CH3）3Ga和氢化物的气相混合物，在H2气氛中在600-700℃温度下热解，可以用来生长GaN材料，自此MOCVD进入了研究人员的视野。

在80年代之后，这项技术有了更快的发展，采用MOCVD技术可以在大衬底基片上沉积得到均匀的外延层，尤其在Ⅲ族氮化物生长领域。经过一段时间的持续发展，九十年代后，MOCVD已经成为了GaN、AlGaN等半导体材料及其相关器件的重要生长方法。

使用MOCVD设备生长AlGaN材料，其基本原理是将Ⅲ族元素金属有机化合物源和Ⅴ族化合物的氮源，通过载气进入反应室，并在反应室内部充分混合，在反应室的反应分为多个步骤来完成：

首先是Ⅲ族源气和氮源的裂解反应，TMGa和NH3通过反应生成反应前驱体和副产物；裂解反应的产物会沉积在底部衬底的表面，同时TMGa和NH3也会在进入反应室后，向衬底上逐步扩散；沉积在衬底上的前驱体在表面发生迁移和扩散，与到达衬底的NH3发生反应，在高温反应下产生最终产物和副产物；随后最终未反应的源分子，反应副产物等会在载气的携带下，离开反应室，进入设备后续的尾气处理流程。

MOCVD生长的基本原理

（图源：王科，《AlGaN材料的腐蚀和再生长研究》）

值得一提的是，AlGaN材料生长中，Ⅲ族金属有机源气主要有TMAl和TMGa，通过控制通入反应室内TMAl和TMGa源气的流量摩尔比，可以控制最终产物AlGaN中Al组分的含量。

其中TMAl在与NH3反应生长时，会出现很强的预反应，两者生成TMAl·NH3，在后续反应中，TMAl·NH3会进一步反应最终生成AlN颗粒。大多数AlN颗粒会被载气带出反应室，这会造成反应物源的浪费，同时少部分颗粒留在反应室内继续生长时，会造成大量位错的产生，这也是AlGaN材料生长质量不高的原因之一，也是AlGaN材料面临的困难之一。

除了生长率低，MOCVD技术需要约1000°C的高温、成本昂贵，这些因素都阻碍着其广泛应用。

今年7月，日本东京大学工业科学研究所发布了一项新的AlGaN生长技术-脉冲溅射沉积（PSD）。

该技术主要有3个亮点：

①AlGaN生产成本可降低90%；

②采用低廉溅射设备，不需要MOCVD；

③性能比传统GaN器件更强，AlGaN原型耐压超过1600V。

脉冲溅射沉积（图源：东京大学工业科学研究所）

据称，他们已经通过该技术制造了AlGaN晶体管原型，并实现实用化。该所的Hiroshi Fujioka教授表示，他们的AlGaN晶体管有望在未来将取代GaN晶体管，同时其性能也将超过GaN晶体管的极限。通过使用溅射生长法，可以将这种AlGaN晶体管的生长成本降低至十分之一左右，有可能取代低成本硅基MOSFET。而且，他们所开发的AlN/AlGaN-HEMT，有望用于制作高性能电力转换元件和6G通信等下一代无线通信元件。未来，研究小组将优化新器件结构，为产业化落地做准备。

AlGaN材料应用

• 紫外及深紫外器件

AlGaN的禁带宽度可以从3.39eV连续调节到6.2eV，其截止波长可从365nm（GaN）调节到200nm（AlN），十分适合制作紫外探测器。传统的Si基光电探测器具有低效率、寿命短和高工作电压的缺点，而AlGaN由于其直接带隙结构拥有高量子效率和低表面复合率，且其耐高温高压可满足在极端物理环境下保持良好的稳定性能，所以使用AlGaN材料制成的紫外探测器性能远胜于传统的Si基光电探测器。

深紫外发光二极管（DUV-LED）的发射波长在220-360nm之间，其主要用途有紫外线固化、水/空气/表面净化、植物生长照明、环境气体传感、计量目的、光治疗、癌症检测和病毒治疗。AlGaN材料被广泛应用于DUV-LED的制备。AlGaN基深紫外发光二极管具有寿命长、波长可调、环境友好、方向性好、开关速度快、结构紧凑、灵活性强等优点，在水中取代传统的紫外光源（特别是汞灯）方面显示出巨大的应用潜力。

• 异质结HEMT器件

第三代宽禁带半导体GaN及三元合金AlGaN调制而成的AlGaN/GaN双异质结结构具有卓越的电学特性，它在室温下即可获得高达1500cm2/VS的电子迁移率及高达2x107cm/s的饱和电子速度，并且在界面处存在比第二代半导体异质结更高密度的二维电子气（2DEG），这些特性使AlGaN/GaN结构成为异质结HEMT器件的热点材料。

AlGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管（HEMTs）具有高击穿电压、高饱和电子速度和高电流密度等优良特性，主要应用场景有微波功率放大器、超高速单片集成电路等。

小结

随着半导体器件应用场景的不断变化，对材料能够满足耐高温高压、高电子迁移率、高击穿电压等要求越来越迫切。以Si为代表的第二代化合物半导体逐渐不能满足行业需求，而以GaN及AlGaN合金为代表的第三代化合物半导体的性能可以极好的满足上述要求，在功率电子器件、微波器件、紫外发光器件等领域拥有光明的应用前景。

参考来源：

1、东京大学工业科学研究所

2、王科，《AlGaN材料的腐蚀和再生长研究》

3、蒋仁杰，《AlGaN一维纳米材料的制备、生长机理和光电探测器研究》

4、蒋仁杰，《髙温MOCVD生长铝镓氮薄膜的气相反应动力学研究》

5、半导体行业观察，《下一代功率半导体，日本有了新进展》