基于AlN单晶的功率肖特基二极管关键问题研究

As wide bandgap semiconductor power electronic devices based on SiC and GaN are being established as the core technology for next generation high efficiency power converters, AlN with a bandgap of 6.1 eV is seldom reported in this subject. Besides the low activation efficiency of Si dopant due to its high activation energy, it is the poor material quality that restricts the implementation of AlN power devices. The dislocation density is as high as 10^10/cm^2 in AlN epi-layers and 10^6/cm^2 in AlN single crystals. The defects and impurities will act as scattering centers decreasing the electron mobility and also act as binding centers of Si dopant decreasing the effective doping density. This in turn results in high on-resistance of AlN power devices. On the other hand, under high electrical field, defects especially dislocations will form leakage path lowering breakdown voltage. In this projects, based on high quality AlN crystals grown by physical vapor transfer (PVT) with dislocation density of 10^3/cm^2, three aspects that are critical for implementing an AlN power Schottky diode will be investigated: (i) optimum crystal plane for device manufacturing; (2) realization of n-type conductivity with high electron density using ion implantation; (iii) using low temperature ALD-grown AlN as protection layer to suppress surface degradation during implantation and annealing; investigate the feasibility of introducing native oxide to enhance reverse blocking capability with minimum reduction on forward conduction.

宽禁带半导体功率电子器件可以工作在更高的电压、更高的工作频率、和更高的温度，同时具有更低的导通电阻，推动下一代高效电力转换系统的发展。AlN的禁带宽度高达6.1eV，但基于AlN的功率器件却少有报道。主要原因是过高的激活能（250meV）导致Si施主的激活效率很低；另外Si掺杂还有可能与晶体中的缺陷、杂质等形成扩展缺陷中心，进一步降低电子浓度。在反向偏压时，表面缺陷和位错等体缺陷会形成漏电通道，降低器件的击穿电压。在本申请项目中，我们将基于本课题组物理气相传输法生长的高质量AlN单晶（位错密度低至10^3/cm^2），对AlN功率肖特基二极管发展的关键问题进行研究：（1）基准晶面选择。（2）采用离子注入的方式引入硅掺杂，得到更高的电子浓度，降低漂移区电阻。（3）引入低温AlN同质表面保护层，抑制离子注入和后续退火过程中造成的晶体表面损伤和分解；探索引入自氧化层来降低反向漏电提高击穿电压。

面向未来更为高压和更为高效的功率电子器件，具有比SiC（3.3eV）和GaN（3.4eV）更大禁带宽度的半导体材料，如金刚石（5.5eV），氧化镓Ga2O3（4.2~4.8eV），氮化铝AlN（6.1eV），已经开始引起人们的关注和研究，并将这一类禁带宽度在4eV以上半导体材料称为‘超宽禁带半导体’。在超宽禁带半导体材料中，AlN具有最大的禁带宽度和击穿电场、更高的热导率和更佳的热稳定性。开展基于AlN的功率电子器件的研究，探索新型的器件结构和器件特性，对AlN的基础物理性质的理解、以及未来下一代功率电子器件的发展都有及其重要的意义。.本项目针对基于氮化铝晶体的肖特基二极管的制备以及器件物理开展了深入的研究。在材料方面，实现了具有n型导电的AlN晶体，O替位中心为掺杂来源，掺杂中心的电离能级为321meV。AlN晶体表面自然氧化层Al2O3的厚度为2nm。在器件方面，成功在AlN晶体表面实现了欧姆接触和肖特基接触，首次在非极化面AlN晶体表面构建了肖特基二极管，该器件为第一支非极化面AlN肖特基电子器件。所制备的二极管正向开启电压为0.5V，正反向导通比>10^5，有效势垒高度1.05eV。理想因子为3.3。其中，理想因子为目前国际上该领域所报道的最佳值。在器件物理方面，首次提出了金属/AlN界面的非均匀性，在器件角度揭示了非极化面AlN肖特基势垒高度为2.1eV，极化面AlN肖特基势垒高度为2.6eV；表明了AlN是发展具有大势垒高度的肖特基二极管的理想材料；阐明了经验公式中理想因子n和有效势垒高度的温度特性。