隨著氮化鋁（AlN）材料逐漸在肖特基二極管（SBD）中的使用，SBD的性能獲得了有效的提升。近日，美國亞利桑那州立大學（ASU）的研究人員研發出1kV級擊穿電壓的AlN SBD。
AlN的材料特性
首先，AlN擁有6.2eV的寬禁帶能級，比較適合應用于便攜高功率手持設備。相對比其他禁帶比較小的半導體材料，比如3.3eV的碳化硅（SiC）、3.4eV的氮化鎵（GaN）、4.8eV的β-Ga203、5.5eV的鉆石。AlN同時還兼具很高的導熱性能（340W/mK），這也是同樣一個非常重要的性能指標。
盡管AlN具有以上優秀的性能，但是AlN目前還面臨生產制造的挑戰。
AlN SBD的結構
如圖1所示，ASU的AlN材料采用MOCVD技術生長在0.2°度斜切的藍寶石表面（0001）。SBD結構主要包括1μm 非故意摻雜（UID）AlN 層、300nm 硅摻雜n-AlN層以及2nm UID GaN 保護層。保護層主要負責防止材料氧化，以防影響器件性能。
圖1 采用MOCVD技術制造的AlN SBD結構橫截面
SBD的兩極分別為：
20nm/100nm/20nm/50nm的Ti/Al/Ti/Au歐姆觸點以及30nm/120nm Pt/Au肖特基觸點，歐姆觸點被設計為400μm直徑大小的圓柱形結構。
而肖特基觸點采用了兩種不同的設計：100μm直徑的圓形以及100μm邊長的方形。兩種觸點的間距為200μm。其表面還生長了一層200nm SiO2層。
AlN SBD的特性
首先，研究人員發現該器件的開關比達到了105的級別。導通電壓只有1.2V（方形觸點結構只有1.1V），這遠遠小于之前大于2V的記錄。
同時，器件也會受到溫度的影響，研究人員發現正向電流會受到熱電子發射的限制。在20°C室溫到200°C之間，SBD的勢壘高度從0.9eV增長到1.6eV。除此之外，理想因子隨著溫度上升，從5.5（方形觸點結構為5.3）降低到2.2。而之前的一些AlN SBD理想因子都在8以上。研究人員認為這次理想因子的大幅降低與材料品質與金屬/半導體接觸面的質量提升有關。
通過分析圖2（a），研究人員發現除了不同的觸點形狀在導通電壓和理想因子有不同的影響，在電流密度方面，方形觸點的SBD具有更高的性能表現，同時擊穿電壓保持在同一水平。
結論
如圖2（b）所示，相比起之前一些日本研究人員的記錄，本次SBD的擊穿現象發生在1kV之后。因此，本次器件耐擊穿能力的提升可能源自場板和邊緣終端技術的應用。同時，n-AlN層材料的提升以及對UID-AlN層進行Fe或C元素摻雜使其電阻增加，都可能有效的提升擊穿電壓。
參考文獻
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
