旭化成和名古屋大学成功在AlN基板上制造PN结

名古屋大学和旭化成于12月14日宣布，已成功制造出在氮化铝（AlN）基材料中表现出理想特性的p-n结，该材料有望用作下一代半导体材料。该成果是名古屋大学未来材料与系统研究所須田淳教授、天野浩教授和旭化成联合研究小组的成果。

"超宽带隙"（UWBG）半导体的带隙（禁带宽度）比目前主要的半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）大4至5倍以上，新一代半导体材料，世界范围内的研究正变得更加活跃。如果UWBG半导体的研究得到发展，相信它将能够为更高频率的设备做出贡献，这将提高设备的通信速度，并减少功率设备的损耗，从而进一步节省能源。 然而，UWBG半导体的一个常见技术问题是难以实现作为半导体器件基础的理想p-n结。

因此，研究团队通过在高质量的AlN单晶衬底上使用化学成分（含有数%至30%的AlN的氮化镓（GaN）），开发了一种AlN基材料，它是UWBG半导体之一，通过使用一种称为分布式偏振掺杂（DPD）的方法，该方法可以在空间上改变氮化物的量（混合），研究人员旨在创建具有优异性能的基于 AlN 的 p 层和 n 层。 此外，为了实现理想的DPD，需要高质量的薄膜晶体生长技术，因此该技术的研发也同时取得进展。

研究中，采用金属有机化合物气相外延（MOVPE）方法在高质量AlN（0001）衬底上形成未掺杂的AlN层和高浓度n型Al0.7Ga0.3N层后，逐渐增加AlN的摩尔分数(n型DPD层)、逐渐减少AlN的摩尔分数的层(p型DPD层)，最后形成高浓度的p型GaN层。 然后，在顶部高浓度p型GaN层和底部高浓度n型Al0.7Ga0.3N层上形成电极，形成pn结二极管。

由此制造的AlN基p-n结由于电流注入而表现出理想的电流-电压特性、电压-电容特性和发光特性。特别是电流-电压特性显示出优异的耐高电压性。关于其高耐压特性，确定介电击穿场强为7.3MV/cm，这是AlN基p-n结介电击穿场强的世界最高测量值。这是传统Si半导体的约25倍，是具有优异介电击穿电场强度的宽带隙WBG半导体碳化硅（SiC）和GaN的约2倍。据称，AlN基p-n结的实现满足所有这些优良性能在世界上是前所未有的。此外，在本研究中，没有采取措施提高耐压，因此预计在未来的研究中将进一步提高相同的值。

这项研究的成果是"利用高质量的AlN单晶基板基材"、"实现理想的DPD层形成的精细薄膜晶体生长技术（外延生长技术）"、"器件（pn这是通过"结型二极管（结型二极管）制造技术"的结合而实现的。 其中使用的AlN单晶基板基材是旭化成的技术，其余两项是名古屋大学与旭化成共同研究的成果。

在这项研究中，实验表明，通过使用分布式极化掺杂作为杂质掺杂的替代方案，即使在 AlN 基半导体中也可以实现良好的 p-n 结。 此外，AlN材料最重要的物理性能值——介电击穿场强，经实验证明至少是传统WBG半导体的两倍。 研究小组预计，这项研究结果将刺激对AlN基材料的研究，并扩大利用DPD的各种设备的研究和开发。