隨著微電子技術的持續發展，超寬禁帶半導體材料在高功率和射頻電子領域引發了廣泛關注。近日，一項關于超寬禁帶氮化鋁（AlN）異質結器件的最新研究成果發表于《IEEE Electron Device Letters》。該研究由威斯康星大學麥迪遜分校馬振強教授團隊與阿卜杜拉國王科技大學李曉航教授團隊合作完成，論文第一作者為威斯康星大學麥迪遜分校的陸義博士。研究團隊首次通過半導體納米薄膜嫁接技術，成功制備出單晶p-Si/n-AlN異質集成PN結二極管，展現出卓越的整流特性、超低漏電流和優異的熱穩定性。這一突破為AlN基電子器件的發展提供了關鍵的技術支撐。
【研究背景】
在能源轉型和信息技術飛速發展的今天，高功率、高頻率電子器件需求迅速增加。超寬禁帶半導體材料如氮化鋁（AlN），因其優異的材料性能，如超寬的帶隙（6.1 eV）、極高的擊穿電場（12-15 MV/cm）以及出色的熱導率（340 W/m·K），備受產業和學術界的關注。近年來，采用Si摻雜n型AlN層的單極性AlN肖特基二極管（SBD）取得了進展。然而，由于AlN的p型摻雜效率極低，其雙極型器件（如PN結二極管）的發展長期受限，相關研究面臨巨大挑戰。
【研究內容】
為解決這一難題，研究團隊創新性地采用半導體嫁接技術，將厚度約180 nm的大面積單晶p型Si納米薄膜精確嫁接到n型AlN外延層上，首次實現了高質量、高性能的p-Si/n-AlN異質結PN二極管。該半導體納米薄膜嫁接技術有效克服了不同半導體材料之間的晶格失配難題，實現了任意半導體材料間的高質量異質集成。在本研究中，Si與AlN界面的原位氧化層能夠起到自鈍化作用，顯著降低界面缺陷密度，同時該鈍化層也為載流子的量子隧穿提供了有利通道。
圖1. (a1) p-SOI圖形化及腐蝕；(a2) 用PDMS印章拾取納米薄膜；(b1) n-AlN外延層；(b2) 陰極金屬化與退火；(c) 納米膜轉移到AlN；(d) p-Si上陽極金屬化及退火；(e) RIE刻蝕去除未覆蓋的p-Si納米膜；(f) ALD Al?O?鈍化、開孔及器件隔離；(g) 器件SEM圖像。
圖2. (a) 器件示意圖; (b) Si納米薄膜轉移到n-AlN模板上; (c) 拉曼和(d) XRD圖譜。
研究團隊進一步優化了n-AlN金屬接觸，通過1100℃的高溫快速退火，有效改善了金屬與n-AlN的歐姆接觸性能，將界面接觸電阻降低至4.9×10-3 Ω·cm2，為器件的整體高性能奠定了堅實基礎。所制備的PN二極管表現出出色的整流性能和優異的均勻性，在±10 V電壓下整流比高達3×10?，并擁有極低的漏電流密度（約6.25×10-9 A/cm² @ -10 V）。正向掃描（-10至+30 V）與反向掃描（+30至-10 V）I-V曲線未觀察到明顯滯后現象，進一步證明了單晶Si與AlN的高質量界面和極低的界面缺陷水平。
圖3. (a) 不同退火條件下相鄰陰極的IV曲線，插圖為陰極的顯微鏡照片；(b) 1100°C 30 s退火樣品不同間距的IV曲線。
該器件在室溫至100℃的溫度范圍內展現出優異的熱穩定性，導通電阻隨溫度升高顯著下降（由室溫下的15.8 Ω·cm2降至100℃時的0.33 Ω·cm2）。在高反向電壓測試中，器件的擊穿電壓高達-894 V，且未出現破壞性擊穿，充分展現了其優良的可靠性與穩定性。此外，研究團隊通過二維器件仿真深入分析了電場分布特性，結果顯示電場主要分布于AlN一側，而硅側的電場分布很弱。同時，通過在器件側壁引入Al?O?鈍化層，有效緩解了界面電場的集中，進一步提升了器件的擊穿能力和整體性能。
圖4. (a) 19個Si/AlN PND器件的I-V曲線；(b) 典型器件的滯后特性；(c) 典型器件從室溫至100°C的I-V特性；(d) 提取的電阻與1/kT的關系。
圖5. (a) 19個Si/AlN PND器件高反向電壓測量，插圖為達8 mA上限時的反偏電壓統計；(b) 典型PND多次高壓測試結果；(c) -1000 V下PND二維電場分布仿真；(d) 本工作及已報道n-AlN基二極管的性能對比。
【結語】
本研究成果為超寬禁帶半導體材料的異質集成提供了全新思路。所制備的PN結二極管展現出高整流比、極低漏電流，以及優異的高溫和高壓耐受能力，使其在高功率電子、射頻器件及極端環境應用領域展現出廣闊的應用前景。本研究所提出的異質結器件技術不僅為AlN器件的應用邊界帶來拓展，也為未來其他超寬禁帶半導體材料的異質集成與創新提供了重要參考，有望持續推動高性能、高可靠性電子器件的發展。
