Si掺杂AlN薄膜的MOVPE生长及其肖特基二极管特性研究：从材料优化到高温器件应用

本文系统研究了通过金属有机气相外延（MOVPE）技术在蓝宝石衬底上生长不同Si掺杂浓度（2×1017至2×1018 cm?3）的AlN薄膜，结合X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等手段揭示了掺杂对晶体质量、表面形貌及应力状态的调控规律。创新性发现高Si掺杂可改善界面陡度、降低氧杂质浓度，并通过高温I-V测试证实了肖特基势垒二极管（SBD）在550°C仍保持性能稳定，为宽禁带半导体（WBS）器件在高温高功率场景的应用提供了新思路。

　　

Highlight

宽禁带半导体（WBS）因其强键合特性具备高熔点、大电场强度等优势，其中AlN作为极宽禁带材料（6.2 eV）在深紫外（UV）光电器件和高温功率器件中潜力巨大。然而其高电阻率和掺杂困难（Si电离能达86-312 meV）仍是重大挑战。本研究通过MOVPE技术在蓝宝石衬底实现Si掺杂AlN的可控制备，突破传统需AlN单晶衬底的限制，为低成本商业化应用铺路。

Experimental details

采用AIXTRON MOVPE系统，以三甲基铝（TMAl）和氨气（NH₃）为前驱体，硅烷（SiH₄）为n型掺杂源。创新性采用3 nm UID-GaN覆盖层防止AlN氧化，生长结构包含AlN缓冲层、非故意掺杂（UID）层和300 nm n-AlN层，通过调控硅烷流量（8-300 sccm）获得梯度掺杂样品。

Result and discussion

• •

  SIMS分析：Si浓度梯度为2×10¹⁷（A样）、8×10¹⁷（B样）、2×10¹⁸ cm^?3（C样），发现高Si掺杂可抑制UID-AlN/n-AlN界面的"台阶状"氧分布。

• •

  XRD表征：最高位错密度样品出现ω-2θ峰分裂，对应双晶畴结构；AFM显示低掺杂样品呈阶梯状形貌，而高掺杂形成不规则大晶粒。

• •

  拉曼光谱：E₂(high)声子峰半高宽（FWHM）随掺杂增加而增大，表明Si掺杂改变应力类型。

• •

  光电性能：透过率光谱显示吸收边红移，最高Si掺杂样品获得>85%的可见光透过率。

• •

  器件表现：400-550°C的I-V曲线呈现典型肖特基特性，势垒高度（Φ_n）和理想因子（n）通过热发射模型提取，证实高温下Si激活效应。

Conclusions

本研究首次在蓝宝石衬底上实现2×10¹⁸ cm^?3级Si掺杂AlN，阐明掺杂浓度与晶体缺陷、应力状态的构效关系。所制备的肖特基二极管在550°C仍保持整流特性，为AlN基高温传感器和功率电子器件开发奠定基础。