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技术荟|美方研发出拥有1kV击穿电压的氮化铝肖特基二极管

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-08-08  来源:材料深一度  浏览次数:298
  随着氮化铝(AlN)材料逐渐在肖特基二极管(SBD)中的使用,SBD的性能获得了有效的提升。近日,美国亚利桑那州立大学(ASU)的研究人员研发出1kV级击穿电压的AlN SBD。
 
  AlN的材料特性
 
  首先,AlN拥有6.2eV的宽禁带能级,比较适合应用于便携高功率手持设备。相对比其他禁带比较小的半导体材料,比如3.3eV的碳化硅(SiC)、3.4eV的氮化镓(GaN)、4.8eV的β-Ga203、5.5eV的钻石。AlN同时还兼具很高的导热性能(340W/mK),这也是同样一个非常重要的性能指标。
 
  尽管AlN具有以上优秀的性能,但是AlN目前还面临生产制造的挑战。
 
  AlN SBD的结构
 
  如图1所示,ASU的AlN材料采用MOCVD技术生长在0.2°度斜切的蓝宝石表面(0001)。SBD结构主要包括1μm 非故意掺杂(UID)AlN 层、300nm 硅掺杂n-AlN层以及2nm UID GaN 保护层。保护层主要负责防止材料氧化,以防影响器件性能。
QQ截图20170808101527
图1  采用MOCVD技术制造的AlN SBD结构横截面
 
  SBD的两极分别为:
 
  20nm/100nm/20nm/50nm的Ti/Al/Ti/Au欧姆触点以及30nm/120nm Pt/Au肖特基触点,欧姆触点被设计为400μm直径大小的圆柱形结构。
 
  而肖特基触点采用了两种不同的设计:100μm直径的圆形以及100μm边长的方形。两种触点的间距为200μm。其表面还生长了一层200nm SiO2层。
 
  AlN SBD的特性
 
  首先,研究人员发现该器件的开关比达到了105的级别。导通电压只有1.2V(方形触点结构只有1.1V),这远远小于之前大于2V的记录。
 
  同时,器件也会受到温度的影响,研究人员发现正向电流会受到热电子发射的限制。在20°C室温到200°C之间,SBD的势垒高度从0.9eV增长到1.6eV。除此之外,理想因子随着温度上升,从5.5(方形触点结构为5.3)降低到2.2。而之前的一些AlN SBD理想因子都在8以上。研究人员认为这次理想因子的大幅降低与材料品质与金属/半导体接触面的质量提升有关。
QQ截图20170808101539
  通过分析图2(a),研究人员发现除了不同的触点形状在导通电压和理想因子有不同的影响,在电流密度方面,方形触点的SBD具有更高的性能表现,同时击穿电压保持在同一水平。
 
  结论
 
  如图2(b)所示,相比起之前一些日本研究人员的记录,本次SBD的击穿现象发生在1kV之后。因此,本次器件耐击穿能力的提升可能源自场板和边缘终端技术的应用。同时,n-AlN层材料的提升以及对UID-AlN层进行Fe或C元素掺杂使其电阻增加,都可能有效的提升击穿电压。
 
  参考文献
 
  H. Fu; I. Baranowski; X. Huang; H. Chen; Z. Lu; J. Montes; X.Zhang; Y. Zhao, "Demonstration of AlN Schottky barrier diodes withblocking voltage over 1kV," in IEEE Electron Device Letters, vol.PP, no.99, pp.1-1
 
  doi: 10.1109/LED.2017.2723603
 
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