AlN?AlYN?AlYN/GaN？新型半导体材料AlYN有望实现更节能、更高频的电子产品

原创 DT半导体材料 2024-08-20 18:38

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近日，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所 (IAF) 的研究团队成功在 4 英寸 SiC 基板上采用低成本的MOCVD 工艺 (金属有机化学气相沉积) 外延生长出了 AlYN/GaN 异质结构。据研究人员称，这为开发新的、更多样化的电子产品应用提供了可能。

弗劳恩霍夫 IAF 的研究人员成功在 4 英寸 SiC 基板上的 MOCVD 反应器中外延生长的AlYN/GaN 异质结构。（图片：© Fraunhofer IAF）

AlN？GaAlN？又来AlYN？AlYN/GaN？

一代材料，一代设备，一代器件。

我们都知道GaN，第三代半导体中冉冉升起的一颗新星。近年来，凭借其卓越的击穿电场、热导率、电子饱和率和耐辐射性等特性，氮化镓在半导体功率器件领域的应用前景愈发受到行业关注。

名古屋大学作为GaN的摇篮，前端时间，诺贝尔获奖者天野浩团队成功制备出下一代氮化铝基功率半导体（AlN），并开发了一种新型AlN基材料，即一种由氮化铝和氮化镓混合物组成的氮化铝镓合金（AlGaN）。名古屋大学的研究人员表示，对于高压控制，氮化铝（AlN）将难有敌手。

（谁将是下一代功率半导体？名古屋大学的研究人员：对于高压控制，氮化铝（AlN）将难有敌手）

作为功率器件，AlN着实火了一把！那AlYN又是什么？小编傻傻分不清~

铝（Al）、氮（N）、钇（Y）这三个元素小编都很熟悉，由他们组成的物质究竟可以做什么？

氮化铝钇 (AlYN)，作为一种新型半导体，在最近的研究中已经证实了 AlYN 的铁电性等特性。并且科学家认为，它有望为信息和通信技术提供节能、高频和高性能的电子产品。

弗劳恩霍夫 IAF 外延部门的科学家 Stefano Leone 博士，认为 AlYN 可能成为未来技术创新的关键材料。并表示，“AlYN 是一种能够提高性能同时最大限度降低能耗的材料，从而为电子创新铺平了道路，而这正是我们这个数字化网络社会和不断增长的技术需求所迫切需要的，我们的研究标志着新型半导体结构开发的一个里程碑。“

然而，AlYN制造一直是一大挑战。到目前为止，只能使用溅射工艺沉积 AlYN，该工艺属于 PVD 技术（物理气相沉积）。

弗劳恩霍夫应用固体物理研究所 (IAF) 的研究人员已经成功利用更具成本效益的 MOCVD 工艺 (金属有机化学气相沉积) 生产出 AlYN。同时，IAF 的研究人员特别关注了这种新型复合半导体对氮化镓 (GaN) 的适应性：AlYN 的晶格结构可以最佳地适应 GaN 的晶格结构，而 AlYN/GaN 异质结构有望为前瞻性电子产品的开发带来显著优势。

从 AlYN 层到 AlYN/GaN 异质结构

2023年，该研究小组首次成功沉积厚度为600纳米的AlYN层，取得了突破性成果。纤锌矿结构层中钇的含量达到了前所未有的30%以上。

沉积在 AlN 模板（红色圆圈）或 GaN 模板（蓝色方块）上的 AlYN 外延层的生长率图。方块或点附近的值表示 AlYN 合金中的 Y 含量。

(https://doi.org/10.1002/pssr.202300091)

如今，该研究团队又取得了进一步的突破。他们制作出了钇浓度可精确调节的AlYN/GaN异质结构，这种结构具有优异的电学性能和均匀的结构。异质结构中的钇浓度高达16%。在Lutz Kirste博士的领导下，结构分析小组正在进行进一步的详细分析，以更好地了解AlYN的精细结构和化学性质。

“我们已经能够观察到令人印象深刻的薄层电阻、电子密度和电子迁移率值。这些结果向我们展示了 AlYN 在高频和高功率电子产品中的潜力，”Leone 说道。

另外，由于具有纤锌矿结构，AlYN 可以通过适当的成分很好地适应氮化镓的纤锌矿结构。AlYN/GaN 异质结构有望开发出性能和可靠性更高的半导体元件。此外，AlYN 还能够在异质结构中诱导二维电子气 (2DEG)。弗劳恩霍夫 IAF 的最新研究结果表明，钇浓度约为 8% 的 AlYN/GaN 异质结构具有最佳的 2DEG 特性。

用于高频应用的 AlYN/GaN 异质结构的潜力

AlYN/GaN：HEMT 的潜力

材料特性分析结果还表明，AlYN 可用于高电子迁移率晶体管 (HEMT)。科学家观察到低温下电子迁移率显著增加（7 K 时超过 3000 cm2/Vs）。该团队已经在展示制造所需的外延异质结构方面取得了重大进展，并继续研究用于制造 HEMT 的新型半导体。

研究人员还大胆地对工业应用做出了积极的预测：通过在 4 英寸 SiC 衬底上生长的 AlYN/GaN 异质结构，他们已经能够展示异质结构的可扩展性和结构均匀性。在商用 MOCVD 反应器中成功生产 AlYN 层，可以扩展到更大的 MOCVD 反应器中的更大衬底。这种方法被认为是制造大型半导体结构最有效的方法，并凸显了 AlYN 在大规模生产半导体元件方面的潜力。

用于非挥发性存储器的AlYN/GaN

由于其铁电特性，AlYN 非常适合开发非挥发性存储器应用。另一个重要优势是层厚度不受限制。因此，研究团队建议进一步探索 AlYN 层用于非挥发性存储器的特性，因为基于 AlYN 的存储器可以推动可持续且节能的数据存储解决方案。这对于数据中心尤其重要，因为数据中心用于管理人工智能计算能力的指数级增长并且能耗明显更高。

挑战：AlYN 的氧化敏感性

AlYN 工业应用的一个重大障碍是其易受氧化影响，这会削弱复合半导体在某些电子应用中的适用性。Leone 总结道：“未来，探索缓解或克服氧化影响的策略将非常重要。这可能包括开发高纯度前体、应用保护涂层或创新制造技术。AlYN 易受氧化影响对研究提出了重大挑战，以确保研究工作集中在最有成功前景的领域。”

相关研究成果以“Two-dimensional electron gases in AlYN/GaN heterostructures grown by metal–organic chemical vapor deposition”为题已发表于《APL Materials》期刊。

https://doi.org/10.1063/5.0203156

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