行业 | 佛罗里达大学/宾州州立大学实现超11 kV横向NiO/AlN异质结整流器及8.6 kV肖特基二极管

译自原文
Lateral NiO/AlN Heterojunction Rectifiers with Breakdown Voltage >11 kV

原文作者
Hsiao-Hsuan Wan , Jian-Sian, Chiao-Ching Chiang and Fan Ren, Department of Chemical Engineering, University of Florida

Md Hafijur Rahman and Aman Haque, Department of Mechanical Engineering, The Pennsylvania State University

Stephen J. Pearton, Department of Materials Science and Engineering, University of Florida

原文链接

https://doi.org/10.1149/2754-2734/ad7867,ECS Adv. 3 033502, 2024

项目支持方

美国国防部下属的国防威胁降低局（Defense Threat Reduction Agency, DTRA）,美国国家自然基金会（US National Science Foundation）

摘要 

通过金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在蓝宝石衬底生长的氮化铝（AlN）外延层上制备出了击穿电压高达11.6 kV的横向NiO/AlN异质结二极管（HJDs）和击穿电压高达8.6 kV的Ni/Au/AlN肖特基势垒二极管（SBDs）。功率品质因数（V_B²/R_ON, 其中R_ON 为导通电阻）分别为：HJD 0.31 MW·cm^-2，SBD 0.16 MW·cm^-2。HJDs与SBDs的最低开启电压分别约为2.03 V和1.91 V，导通/关断比（ON/OFF ratio）最高达10²。HJDs与SBDs在击穿前的最大场强分别为0.45 MV·cm^-1和0.31 MV·cm^-1。这些场强值不足AlN临界场强（约15 MV·cm⁻¹）的3%。本研究展示的AlN作为超宽禁带半导体在高效多千伏级功率开关应用中的潜力，但仍需对其整体质量（包括纯度、晶体完整性与缺陷密度）进行显著优化。我们的研究结果同时证实，NiO作为一种p型导电氧化物，在与AlN构建异质结方面展现出良好应用前景。

当前，超宽禁带半导体在高效功率牵引逆变器领域的应用正引发持续关注。该类材料不仅能够提升电动汽车（EV）驱动系统及数据中心的能量转换效率，还可优化太阳能、风能等可再生能源的电力变换过程，并推动电动汽车充电速度的显著提升。具体而言，车载充电器承担着将充电站输出的交流电转换为适配车辆电池的直流电的关键功能。从能源系统角度看，可再生能源发电作为优化电网性能的核心技术，能够实现能源的高效采集、存储及回馈。在这一过程中，逆变器与功率开关器件作为调控能量流动的核心部件，其性能直接影响系统效能。研究表明，超宽禁带（UWBG）半导体器件凭借其更低的开关损耗特性，可显著降低系统能量损耗，从而实现能效的显著提升。

近期， AlN因其优异的材料特性重新成为上述应用领域的研究热点。该材料具有6.28 eV的宽禁带能隙，可实现最大直径4英寸的高质量单晶生长，其击穿电场强度高达约15 MV·cm⁻¹，这一数值在现有半导体材料中处于领先地位。基于这些独特的本征特性，AlN在军事和民用功率电子系统以及极端环境应用中展现出巨大的应用潜力。具体而言，其潜在应用领域涵盖：高温高辐射环境电子器件、直流微电网系统、脉冲功率武器装备以及高压直流（HV-DC）输配电网络。

相较于窄禁带半导体，AlN在高温高功率工况条件下表现出显著优越的材料性能。在功率开关器件应用领域，以AlN为代表的超宽禁带（UWBG）半导体材料可有效降低导通电阻损耗，为采用单一器件替代传统复杂堆叠结构提供了可能。此外，在射频电子应用层面，AlN材料不仅支持开发更高功率密度的雷达系统以实现更远探测距离，而且在定向能武器系统中展现出极具潜力的应用价值。

当前研究主要集中于掺杂调控技术及垂直功率整流器用厚膜（>10 μm）轻掺杂外延结构的可控制备。为充分释放AlN材料潜能，需在体材料与外延晶体生长、低电阻欧姆接触构建、可控刻蚀工艺、高效掺杂方法、能带偏移匹配的绝缘介质开发，以及图形转移过程中的损伤抑制等关键技术环节取得突破性进展。现阶段研究面临的核心科学问题是掺杂层电导率不足——传统上AlN材料主要被视为绝缘体。然而，随着n型和p型高浓度掺杂技术近年取得突破性进展，该材料在垂直结构器件应用及功率电子器件商业化方面重新获得广泛关注。众多研究团队已成功实现n型和p型极化掺杂（即无杂质补偿效应且无载流子冻结现象）。目前，直径大于50 mm（2英寸）的AlN单晶衬底已实现产业化制备，其位错密度低于10⁴ cm^-2，挠曲度可忽略不计（曲率半径＞30 m），这些技术突破为开发耐压千伏级的垂直整流器件奠定了基础。

AlN肖特基势垒二极管（SBDs）的击穿电压（BVs）已突破3 kV。Irokawa研究团队在非故意n型掺杂AlN单晶衬底上成功制备了横向AlN SBDs，该器件在300℃极端工况下仍保持稳定性能，但理想因子高达11.7，表明存在显著的非理想特性。Kinoshita团队通过氢化物气相外延（HVPE）技术制备的垂直结构AlN SBDs实现了550-770 V的击穿电压，理想因子优化至约8；然而，由于缺乏导电衬底支撑，器件在衬底移除工艺中面临结构性损伤风险。Fu研究团队报道了击穿电压>1 kV的横向AlN SBDs，而Maeda团队则创新性地采用分子束外延（MBE）技术制备了集成AlGaN电流扩展层的AlN SBDs。系统研究表明，器件中载流子输运特性（包括正向与反向特性）主要受材料本征缺陷调控。值得注意的是，Mudiyanselage研究组通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在单晶AlN衬底上实现了3 kV准垂直整流器，该器件在350℃高温环境下仍保持8×10⁸的高开关比；随着温度升高，其肖特基势垒高度从0.89 eV显著提升至1.85 eV，同时理想因子从4.29优化至1.95，揭示了温度依赖的载流子输运机制。

本研究系统探究了以NiO作为p型导电层构建异质结的横向肖特基势垒二极管（SBDs）在AlN单晶衬底上的电学特性。该技术路线已在其他难以实现p型掺杂的宽禁带半导体体系（如氧化镓Ga₂O₃）中得到验证。作为经典p型导电氧化物，NiO展现出约3.6-4.0 eV的宽禁带特征。尽管铜铁矿结构CuAlO₂，禁带宽度3.6-4.0 eV、ZnCo₂O₄（禁带宽度3.6-3.9 eV）、CuCrO₂（禁带宽度3.0-3.5 eV）以及直接带隙铜锶氧化物（SrCu₂O₂，禁带宽度3.2-3.5 eV）等p型氧化物与NiO具有相当的禁带宽度，但这些材料体系在热力学稳定性或薄膜沉积工艺复杂性方面均存在显著技术瓶颈。需要特别指出的是，开发禁带宽度显著超越NiO的p型半导体材料面临根本性挑战——宽禁带半导体本征特性往往表现为高绝缘性或本征n型导电行为。对于透明导电氧化物（如SnO₂、In₂O₃）等真正具备超大禁带宽度的材料体系，其载流子输运特性通常表现为n型导电主导，而非理想的p型导电行为。

图1. AlN外延层上NiO薄膜的横截面透射电子显微镜（TEM）图像。

图2. 横向器件结构示意图：AlN肖特基整流器（上）；NiO/AlN异质结整流器（下）。

本研究旨在确立NiO作为AlN整流器p型氧化物的可行性（该应用方向尚未见文献报道），并测定基于蓝宝石衬底外延生长层的横向AlN基整流器实验击穿电场强度。

实验方法

本研究采用AlN单晶衬底，其结构制备流程如下：首先在蓝宝石衬底上通过氢化物气相外延（Hydride Vapor Epitaxy, HVE）技术生长270 nm厚的AlN缓冲层，继而采用MOCVD工艺沉积2.7 μm厚的c面、铝极性 （Al-polar）AlN外延层。该极性结构的选择具有明确理论依据——现有研究表明，在相同工艺条件下，氮极性（N-polar）AlN相较于c面AlN及非极性a面（a-plane）取向，表现出显著更高的刻蚀速率。前期研究[34]通过X射线摇摆曲线测试表征晶体质量，结果显示：在衍射角14.2°（对应(0002)晶面）和17.75°（对应晶面）处，其半高宽（FWHM）值分别为175 arcseconds与192 arcseconds。为验证器件性能差异，本研究构建了两种对比结构：采用NiO作为p型半导体层构建p-n异质结异二极管（HJDs）及选用Ni/Au合金作为阳极金属形成肖特基接触二极管（SBDs）。图1展示了外延层上NiO薄膜的横截面TEM图像，用于表征界面结构特征。

为系统研究退火温度对欧姆接触特性的影响机制，本研究采用传输线法（TTLM）开展实验表征。实验参数设置如下：退火温度范围设定为850℃至1000℃；采用SSI Solaris 150快速热退火系统（RTA）在N₂保护气氛中进行退火处理，退火时间恒定为30秒。

本研究系统制备了三种不同直径（50 μm、75 μm和100 μm）的SBDs与HJDs。首先采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Au金属电极层，并在N₂保护气氛下实施950℃/30 s快速热退火处理以优化欧姆接触特性。针对异质结器件，通过双靶材磁控溅射系统（工作气压3 mTorr）在AlN外延层表面制备NiO双层结构。实验表征表明，双靶材溅射工艺制备的薄膜形貌与单靶材工艺具有显著一致性。通过精确调控溅射气氛中的Ar/O₂比例（Ar/O₂：2×10¹⁸至2×10¹⁹ cm^-3），实现了对NiO薄膜掺杂浓度的精准调控。X射线光电子能谱分析证实，NiO与AlN形成嵌套型I类异质结，其导带偏移量（ΔE_c）为-0.38 eV，价带偏移量（ΔE_v）为-1.89 eV。图1所示的HRTEM图像清晰揭示了NiO/AlN界面特性：该异质结界面呈现原子级平整特征，未观测到界面无序缺陷；溅射沉积工艺未破坏AlN外延层的原子级有序排列，证实了界面结构的完整性。

最后，在SBDs与HJDs表面均沉积Ni/Au金属层作为电极接触材料。图2展示了这两种器件的结构示意图。

本研究采用1 MHz电容-电压（C-V）测试技术对器件有源区载流子浓度进行定量表征。实验数据显示：AlN层呈现完全耗尽状态，对应的n型载流子浓度低于10¹⁰ cm^-3量级。由于霍尔效应测量条件受限，未能获取材料迁移率数据。电流-电压（I-V）特性测试在氟化液保护环境中开展，实验温度严格控制25℃。测试系统由Tektronix 371-B曲线示踪仪与Glassman高压电源协同构建。低电压区正向/反向电流特性通过Agilent 4156C半导体参数分析仪进行高精度测量。反向击穿电压判定依据国际通用标准：当反向电流密度达到0.1 A/cm²时对应的电压值。测试电路中串联兆欧级电阻，并对电阻压降进行补偿修正。为确保击穿测试可靠性，在每次测试前执行标准化接触完整性验证流程：首先施加+5 V正向偏压扫描，继而进行-100 V反向偏压扫描，通过I-V特性曲线验证电极接触稳定性。器件导通电阻通过I-V特性曲线的电压-电流微分（dV/dI）计算获得。针对测试系统引入的外部电路寄生电阻（包含测试电缆、样品台及探针等组件），经I-V标定测试确定其总阻值为10 Ω，并在最终结果中予以扣除。 

结果与讨论

图3a系统呈现了金属接触电极间距为2 μm时，I-V特性曲线随退火温度（850℃至1000℃）的变化规律。实验数据显示：当退火温度为950℃时，接触电极间呈现最大电流值，表明该温度下欧姆接触特性达到最优状态；而当退火温度超过950℃时，接触性能发生显著退化。图3b通过光学显微图像对比，直观揭示了Ti/Au传输线结构（TLM）在退火处理前后的形貌演变特征。微观结构分析表明：在850-1000℃温度范围内，金属接触区域均发生不同程度的金属间化合物反应；值得注意的是，在1000℃退火条件下，接触界面处出现明显的结构劣化现象，表现为界面扩散加剧和接触电阻升高。基于上述系统性实验结果，本研究确定950℃为金属接触层的最优退火工艺温度，并在后续所有实验中采用该参数进行接触层制备。

图3. （a）不同温度条件下间距为2 μm的双金属接触电极间电流-电压（I-V）特性曲线随退火温度变化关系；（b）经不同温度退火处理前后传输线结构（TLM）的光学显微图像。

图4（a）呈现了两种不同直径（75 μm与100 μm）横向AlN器件（包括SBD和HJD）的正向电流-电压（J-V）特性曲线。实验结果表明：在相同测试条件下，较小直径器件展现出更高的正向电流密度，该现象与文献报道的电学特性一致。这一差异主要源于小尺寸器件中表面态散射效应减弱以及AlN层体电阻占比降低的协同作用。图4（b）采用线性坐标体系对相同测试数据进行重构，旨在精确标定器件的开启电压阈值。具体测试数据显示：SBD器件的开启电压稳定在1.91 V，而HJD器件的开启电压略高，分布于2.03-2.19 V区间。值得注意的是，低开启电压特性是实现整流器低导通损耗的关键因素，这对于提升AlN基功率器件的转换效率、优化热管理效能及增强系统运行可靠性具有决定性意义。进一步电学特性分析表明：SBD器件的导通电阻呈现显著的尺寸依赖性——75 μm直径器件为423 Ω·cm²，而100 μm直径器件则增至953 Ω·cm²。相比之下，HJD器件展现出更优的电学性能调控能力：75 μm直径器件导通电阻为434 Ω·cm²，100 μm直径器件为800 Ω·cm²，其电学性能衰减幅度显著低于SBD器件。

图4. 横向AlN基SBD与HJD在不同直径下的正向电流-电压（J-V）特性曲线（上）；采用线性坐标呈现的相同测试数据，用于精确提取器件开启电压值（下）。

图5呈现了肖特基整流器与异质结NiO/AlN整流器的反向电流-电压（I-V）特性曲线，用于标定器件击穿电压特性。实验结果表明：反向电流密度与接触面积呈显著正相关性，其物理机制在于结区单位面积均会贡献漏电流分量——随着接触面积增大，器件内部泄漏通道数量增多，导致整体反向电流幅值升高。横向功率器件的性能优值（FOM）由公式V_B ² /R_on,sp = eμ_chn_sE_C ²定义，其中e为电子电荷常数，μ_ch表征外延层电子迁移率，n_s表示二维电子气面载流子浓度，E_C对应AlN材料的临界击穿电场强度（文献记载典型值为15 MV·cm⁻¹）。测试数据显示：HJDs的功率优值达0.31 MW·cm⁻²，SBDs为0.16 MW·cm⁻²，分别仅达到理论极限值的3%与1.5%。击穿场强表征结果表明：HJDs的最大击穿场强为0.45 MV·cm⁻¹，SBDs为0.31 MV·cm⁻¹，该数值显著低于国际文献报道水平。上述实验现象揭示：横向AlN整流器的性能瓶颈主要源于材料本征缺陷调控不足，同时表面钝化工艺的优化对性能提升具有关键作用。需要特别指出的是，上述测试数据均基于直径75 μm的器件获得——当器件直径扩展至100 μm时，功率优值进一步衰减（SBDs降至0.25 MW·cm⁻²，HJDs维持0.31 MV·cm⁻¹量级）。此外，受限于较低的正向导通电流，器件开关比（On/Off ratio）最高仅达10²量级。

图5.低偏压条件下的反向电流-电压（I-V）特性曲线（上）；全电压范围内的反向电流-电压（I-V）特性曲线，用于确定器件击穿电压（下）。 

正如预期，NiO/AlN PN结整流器展现出显著高于肖特基整流器的击穿电压特性。这一电学特性的差异主要源于PN结整流器具有更宽的耗尽区宽度，使其在发生击穿前可承受更高的临界电场强度。从微观机理分析，PN结整流器的击穿过程主要受控于雪崩击穿机制——该过程依赖于载流子在强电场作用下通过碰撞电离获得足够能量，进而诱发电子-空穴对的级联产生。相较于肖特基整流器中占主导地位的隧穿击穿机制，雪崩击穿需要更高的电场强度阈值才能被激活。后者通过量子隧穿效应使电子直接穿越金属-半导体异质结界面处的势垒，其击穿触发所需的电场强度显著低于雪崩击穿机制。

图6系统对比了已报道AlN基SBDs的击穿电压与开启电压特性。本研究成功实现了超过11 kV的创纪录击穿电压，同时保持了与现有器件相当的开启电压水平。未来研究若采用AlN单晶衬底，有望显著降低缺陷密度，从而相对于当前基于蓝宝石衬底的器件实现性能突破。本研究的核心目标是开发真正的垂直结构整流器——这类器件凭借更大的电流流通截面积可承载更高电流，通过更短且更宽的电流路径实现更低的导通电阻，在半导体整流应用中展现出显著优势。具体而言，垂直结构整流器通过衬底实现高效热耗散，在高压工作条件下因优异的电场分布特性可达到更高击穿电压，使其在功率转换效率、高功率应用适配性以及电源模块、电机驱动器和电源管理系统中的紧凑化设计方面表现卓越。相比之下，横向结构器件受限于较高的导通电阻、欠佳的热管理效率以及较低的耐压能力，更适用于功率等级和电压要求较低的应用场景——此类场景中单片集成化设计更具优势。尽管垂直结构器件是最终目标，但在原生AlN单晶衬底上实现超厚外延层生长的垂直工艺成熟之前，我们可先建立横向器件的性能基准。

图6. AlN整流器击穿电压与开启电压关系的文献数据汇编。图中d表示接触金属与欧姆接触金属之间的间距。

图6选取导通电压（on-voltage）作为核心表征参数，而非导通电阻（on-resistance）。需要着重指出的是，在功率电子器件（含横向整流器）性能评估体系中，导通电压与导通电阻均属关键性指标。然而，在超宽禁带（Ultrawide Bandgap, UWBG）半导体研究领域，导通电压因其对整流器功率损耗的直接影响而具有更高优先级——具体表现为：较低的导通电压对应更小的正向压降，可显著降低功率耗散水平。鉴于效率是功率电子领域的核心评价指标，导通电压的优化可直接提升系统整体效率。该参数的降低不仅能有效减少功率耗散，还可显著降低器件结温，这对器件可靠性及使用寿命具有决定性影响。较低的结温可减少对复杂热管理系统的依赖，同时支持采用更紧凑、低成本的散热方案（如小型化散热器或低功耗冷却风扇）。尽管导通电阻仍是重要考量参数，但在超宽禁带横向整流器中，其重要性通常次于导通电压。这一优先级差异源于超宽禁带材料的本征特性：其高阻断电压承受能力允许器件在更高工作频率与更低电流密度条件下运行，从而弱化了导通电阻对整体功率损耗的影响。此外，相较于传统硅基器件，超宽禁带器件具有更低的本征导通电阻特性，进一步降低了该参数对系统性能的制约程度。综上所述，虽然导通电阻需纳入器件性能综合评估体系，但由于导通电压对系统效率、结温控制及整体设计优化的直接决定性作用，在超宽禁带横向整流器中，导通电压通常被视为更具主导地位的关键性能参数。

总结与结论

本研究采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上成功制备了横向NiO/AlN异质结二极管（HJDs）和Ni/Au/AlN肖特基势垒二极管（SBDs）。实验结果表明：HJDs器件实现了11.6 kV的击穿电压（V_B），SBDs器件击穿电压达8.6 kV；功率优值（V_B²/R_on,s_p）分别为0.31 MW·cm⁻²（HJDs）和0.16 MW·cm⁻²（SBDs）；最低开启电压分别为2.03 V（HJDs）和1.91 V（SBDs）；开关比（On/Off ratio）最高达10²量级。击穿场强测试结果表明：HJDs的最大击穿场强为0.45 MV·cm⁻¹，SBDs为0.31 MV·cm⁻¹，二者均低于AlN临界击穿场强（约15 MV·cm⁻¹）的3%。本研究证实：尽管所制备器件已初步展现出优异的电学性能，但要充分释放AlN作为超宽禁带半导体在高效多千伏级功率开关应用中的潜力，仍需针对材料质量优化、器件结构创新及工艺精度提升等关键环节开展系统性研究。

基于本研究结果，未来工作需重点聚焦以下方向：

1. 材料质量提升：通过采用AlN单晶衬底替代蓝宝石衬底，降低外延层缺陷密度；

2. 垂直结构器件开发：构建真正的垂直结构整流器，以提升器件高电流承载能力、降低导通电阻并增强散热性能；

3. 表面钝化技术优化：实施表面钝化工艺以抑制界面态对器件性能的负面影响；

4. 开关比性能增强：探索新型电极材料与结构设计，提升正向导通电流并实现更高开关比