東京大學(xué)大學(xué)院工學(xué)系研究科電氣系工學(xué)專攻前田拓也講師領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與日本電信電話公司（NTT）于2024年12月宣布，成功制備出基于氮化鋁（AlN）半導(dǎo)體的肖特基勢壘二極管（SBD），并揭示了其電流輸運(yùn)機(jī)制。未來，雙方將致力于實(shí)現(xiàn)基于AlN的低損耗功率半導(dǎo)體器件。

左為AlN SBD的光學(xué)顯微照片，右為器件結(jié)構(gòu)剖面圖

氮化鋁（AlN）是一種擁有6.0eV寬禁帶能量的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有巨大的應(yīng)用潛力。基于AlN的功率半導(dǎo)體器件可大幅減少電動汽車（EV）在電機(jī)驅(qū)動和充電過程中的電力損耗。然而，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換需要同時(shí)具備晶體管與二極管。此前，NTT已成功研發(fā)AlN晶體管，但在二極管領(lǐng)域尚未取得突破。

此次，NTT通過開發(fā)低電阻歐姆接觸電極形成技術(shù)和低泄漏電流肖特基電極技術(shù)，成功制備出接近理想電流-電壓特性的AlN系SBD。具體而言，團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了AlN晶體管制造中使用的Si摻雜鋁鎵氮（AlGaN）漸變層技術(shù)，將接觸電阻降低至傳統(tǒng)水平的十分之一以下。同時(shí)，通過優(yōu)化干法刻蝕工藝，顯著減輕了AlN半導(dǎo)體的等離子體損傷，有效抑制了AlN與肖特基電極間的泄漏電流，實(shí)現(xiàn)了出色的整流性能。

東京大學(xué)對NTT開發(fā)的AlN系SBD進(jìn)行了深入測試與分析，揭示出電流輸運(yùn)機(jī)制是由隧穿效應(yīng)引起的熱電子電場發(fā)射（TFE）。研究還首次明確了決定肖特基接觸特性的“勢壘高度”及其“溫度依賴性”，并指出在電容特性評價(jià)中使用極低頻（＜10Hz）的重要性。

測量 AlN 基 SBD 的電氣特性

通過理論計(jì)算，團(tuán)隊(duì)證明了TFE產(chǎn)生的電流與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，進(jìn)一步確認(rèn)了電流輸運(yùn)機(jī)制。此外，研究還在室溫至300℃的寬溫度范圍內(nèi)測量了電流-電壓特性，成功揭示了勢壘高度的溫度依賴關(guān)系，為AlN功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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