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

弗劳恩霍夫 IAF 的研究职员成功在 4 英寸 SiC 基板上的 MOCVD 反应器中外延成长的AlYN/GaN 异质构造。
（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运用前景愈发受到行业关注。

名古屋大学作为GaN的摇篮，前端韶光，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），并开拓了一种新型AlN基材料，即一种由氮化铝和氮化镓稠浊物组成的氮化铝镓合金（AlGaN）。
名古屋大学的研究职员表示，对付高压掌握，氮化铝（AlN）将难有敌手。

（谁将是下一代功率半导体？名古屋大学的研究职员：对付高压掌握，氮化铝（AlN）将难有敌手）

作为功率器件，AlN其实火了一把！
那AlYN又是什么？

铝（Al）、氮（N）、钇（Y）这三个元素

氮化铝钇 (AlYN)，作为一种新型半导体，在最近的研究中已经证明了 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能供应节能、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 可能成为未来技能创新的关键材料。
并表示，“AlYN 是一种能够提高性能同时最大限度降落能耗的材料，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能需求所急迫须要的，我们的研究标志着新型半导体构造开拓的一个里程碑。
“

然而，AlYN制造一贯是一大寻衅。
到目前为止，只能利用溅射工艺沉积 AlYN，该工艺属于 PVD 技能（物理气相沉积）。

弗劳恩霍夫运用固体物理研究所 (IAF) 的研究职员已经成功利用更具本钱效益的 MOCVD 工艺 (金属有机化学气相沉积) 生产出 AlYN。
同时，IAF 的研究职员特殊关注了这种新型复合半导体对氮化镓 (GaN) 的适应性：AlYN 的晶格构造可以最佳地适应 GaN 的晶格构造，而 AlYN/GaN 异质构造有望为前瞻性电子产品的开拓带来显著上风。

从 AlYN 层到 AlYN/GaN 异质构造

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

沉积在 AlN 模板（赤色圆圈）或 GaN 模板（蓝色方块）上的 AlYN 外延层的成长率图。
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打破。
他们制作出了钇浓度可精确调节的AlYN/GaN异质构造，这种构造具有精良的电学性能和均匀的构造。
异质构造中的钇浓度高达16%。
在Lutz Kirste博士的领导下，构造剖析小组正在进行进一步的详细剖析，以更好地理解AlYN的风雅构造和化学性子。

“我们已经能够不雅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。

其余，由于具有纤锌矿构造，AlYN 可以通过适当的身分很好地适应氮化镓的纤锌矿构造。
AlYN/GaN 异质构造有望开拓出性能和可靠性更高的半导体元件。
此外，AlYN 还能够在异质构造中勾引二维电子气 (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 异质构造具有最佳的 2DEG 特性。

用于高频运用的 AlYN/GaN 异质构造的潜力

AlYN/GaN：HEMT 的潜力

材料特性剖析结果还表明，AlYN 可用于高电子迁移率晶体管 (HEMT)。
科学家不雅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构造方面取得了重大进展，并连续研究用于制造 HEMT 的新型半导体。

研究职员还大胆地对工业运用做出了积极的预测：通过在 4 英寸 SiC 衬底上成长的 AlYN/GaN 异质构造，他们已经能够展示异质构造的可扩展性和构造均匀性。
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构造最有效的方法，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 非常适宜开拓非挥发性存储器运用。
另一个主要上风是层厚度不受限定。
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，由于基于 AlYN 的存储器可以推动可持续且节能的数据存储办理方案。
这对付数据中央尤其主要，由于数据中央用于管理人工智能打算能力的指数级增长并且能耗明显更高。

寻衅：AlYN 的氧化敏感性

AlYN 工业运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运用中的适用性。
Leone 总结道：“未来，探索缓解或战胜氧化影响的策略将非常主要。
这可能包括开拓高纯度前体、运用保护涂层或创新制造技能。
AlYN 易受氧化影响对研究提出了重大寻衅，以确保研究事情集中在最有成功前景的领域。
”

干系研究成果以“Two-dimensional electron gases in AlYN/GaN heterostructures grown by metal–organic chemical vapor deposition”为题已揭橥于《APL Materials》期刊。

https://doi.org/10.1063/5.0203156

来源：DT半导体

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