← 返回
功率器件技术 宽禁带半导体 ★ 5.0

高整流比、低漏电流的p-Si/n-AlN异质结PN二极管

High Rectification, Low Leakage p-Si/n-AlN Heterojunction PN Diode

作者 Yi Lu · Jie Zhou · Jiarui Gong · Yang Liu · Haicheng Cao · Mingtao Nong
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年5月
技术分类 功率器件技术
技术标签 宽禁带半导体
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 AlN p - Si/n - AlN p - n 二极管 欧姆接触 整流特性 热稳定性
语言:

中文摘要

超宽带隙氮化铝(AlN)是一种极具吸引力的用于功率和射频电子领域的材料。单极n型AlN肖特基势垒二极管已展现出其优势,然而,基于AlN的双极型器件虽有待进一步发展,但相关研究却较为匮乏。在本文中,我们报道了具有优异性能的单晶硅p型/氮化铝n型(p - Si/n - AlN)pn结二极管(PND),该二极管是通过将p型硅纳米膜嫁接到n型AlN薄膜上制成的。通过在1100℃下进行高温退火,在n型AlN上直接实现了改进的欧姆接触,接触电阻率为4.9×10⁻³ Ω·cm²。这些PND在整个晶圆上表现出显著的均匀性,具有出色的整流特性,在±10 V时整流比高达约3×10⁷,在 - 10 V时漏电流密度低至约6.25×10⁻⁹ A/cm²,并且在 - 10 V至30 V范围内无回滞现象。此外,这些器件还表现出卓越的热稳定性,随着温度从室温升高到100℃,导通电阻从15.8 Ω·cm²降至0.33 Ω·cm²,这揭示了AlN中深施主态的激活能约为425 meV。在电压达到 - 894 V之前,未观察到器件发生破坏性击穿。这些结果凸显了Si/AlN PND在开发基于AlN的电子器件方面的潜力。

English Abstract

Ultrawide bandgap AlN is a highly attractive material for power and radio frequency electronics. Unipolar n-AlN Schottky barrier diodes have demonstrated their strengths, whereas further development of AlN-based bipolar devices is desired but lacked. In this letter, we report single-crystalline p-Si/n-AlN p-n diodes (PNDs) with superior performance, accomplished by grafting a p-type Si nanomembrane onto an n-AlN film. Improved Ohmic contact directly on n-AlN was obtained through high temperature annealing at 1100~^ C with contact resistivity of 4.9 10^-3~ cm2. The PNDs exhibited remarkable uniformity across the wafer, excellent rectifying characteristics with a high ratio of 3 10^7 at ±10 V, low leakage current density of 6.25 10^-9 A/cm2 at −10 V, and hysteresis-free operation from -10 V to 30 V. Furthermore, the devices demonstrated superior thermal stability, with the on-resistance decreasing from 15.8 to 0.33~ cm2 as temperature increased from room temperature to 100~^ C, revealing an activation energy of ~425 meV for deep donor state in AlN. No destructive breakdown of the devices was observed up to –894 V. These results highlight the Si/AlN PNDs’ potential for development of AlN-based electronic devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项p-Si/n-AlN异质结二极管技术展现出显著的战略价值。该技术基于超宽禁带半导体AlN材料,实现了3×10^7的高整流比和6.25×10^-9 A/cm²的超低漏电流,这些性能指标对我们的核心产品线具有重要意义。

在光伏逆变器和储能变流器领域,功率器件的性能直接决定系统效率和可靠性。该技术展现的突出热稳定性尤为关键——器件在室温至100°C范围内导通电阻从15.8降至0.33 Ω·cm²,这种负温度系数特性有利于高温工作环境下的性能优化。更重要的是,器件耐压能力达到-894V而未出现破坏性击穿,这为开发高压功率模块提供了新的材料平台,可能支撑我们1500V甚至更高电压等级系统的发展需求。

技术创新点在于通过纳米膜转移技术将p型硅与n型AlN结合,并通过1100°C高温退火实现了优异的欧姆接触。这种异质集成思路为突破AlN双极器件发展瓶颈提供了可行路径。然而,从产业化角度评估,该技术仍处于实验室阶段,面临几个关键挑战:高温工艺的成本控制、大面积器件的良率保证、以及与现有SiC/GaN功率器件的性能-成本竞争力对比。

对阳光电源而言,建议持续跟踪AlN基功率器件的技术演进,特别关注其在极端环境(高温、高压、高频)应用中的差异化优势。在当前SiC供应链逐步成熟的背景下,AlN技术可作为下一代超高压、超高温应用场景的前瞻性技术储备,为公司长期技术竞争力布局提供选项。