名古屋大學(xué)和旭化成于12月14日宣布，已成功制造出在氮化鋁（AlN）基材料中表現(xiàn)出理想特性的p-n結(jié)，該材料有望用作下一代半導(dǎo)體材料。該成果是名古屋大學(xué)未來材料與系統(tǒng)研究所須田淳教授、天野浩教授和旭化成聯(lián)合研究小組的成果。
"超寬帶隙"（UWBG）半導(dǎo)體的帶隙（禁帶寬度）比目前主要的半導(dǎo)體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）大4至5倍以上，新一代半導(dǎo)體材料，世界范圍內(nèi)的研究正變得更加活躍。如果UWBG半導(dǎo)體的研究得到發(fā)展，相信它將能夠?yàn)楦哳l率的設(shè)備做出貢獻(xiàn)，這將提高設(shè)備的通信速度，并減少功率設(shè)備的損耗，從而進(jìn)一步節(jié)省能源。 然而，UWBG半導(dǎo)體的一個(gè)常見技術(shù)問題是難以實(shí)現(xiàn)作為半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)的理想p-n結(jié)。
因此，研究團(tuán)隊(duì)通過在高質(zhì)量的AlN單晶襯底上使用化學(xué)成分（含有數(shù)%至30%的AlN的氮化鎵（GaN）），開發(fā)了一種AlN基材料，它是UWBG半導(dǎo)體之一，通過使用一種稱為分布式偏振摻雜（DPD）的方法，該方法可以在空間上改變氮化物的量（混合），研究人員旨在創(chuàng)建具有優(yōu)異性能的基于 AlN 的 p 層和 n 層。 此外，為了實(shí)現(xiàn)理想的DPD，需要高質(zhì)量的薄膜晶體生長技術(shù)，因此該技術(shù)的研發(fā)也同時(shí)取得進(jìn)展。
研究中，采用金屬有機(jī)化合物氣相外延（MOVPE）方法在高質(zhì)量AlN（0001）襯底上形成未摻雜的AlN層和高濃度n型Al0.7Ga0.3N層后，逐漸增加AlN的摩爾分?jǐn)?shù)(n型DPD層)、逐漸減少AlN的摩爾分?jǐn)?shù)的層(p型DPD層)，最后形成高濃度的p型GaN層。 然后，在頂部高濃度p型GaN層和底部高濃度n型Al0.7Ga0.3N層上形成電極，形成pn結(jié)二極管。
由此制造的AlN基p-n結(jié)由于電流注入而表現(xiàn)出理想的電流-電壓特性、電壓-電容特性和發(fā)光特性。特別是電流-電壓特性顯示出優(yōu)異的耐高電壓性。關(guān)于其高耐壓特性，確定介電擊穿場強(qiáng)為7.3MV/cm，這是AlN基p-n結(jié)介電擊穿場強(qiáng)的世界最高測量值。這是傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體的約25倍，是具有優(yōu)異介電擊穿電場強(qiáng)度的寬帶隙WBG半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和GaN的約2倍。據(jù)稱，AlN基p-n結(jié)的實(shí)現(xiàn)滿足所有這些優(yōu)良性能在世界上是前所未有的。此外，在本研究中，沒有采取措施提高耐壓，因此預(yù)計(jì)在未來的研究中將進(jìn)一步提高相同的值。
這項(xiàng)研究的成果是"利用高質(zhì)量的AlN單晶基板基材"、"實(shí)現(xiàn)理想的DPD層形成的精細(xì)薄膜晶體生長技術(shù)（外延生長技術(shù)）"、"器件（pn這是通過"結(jié)型二極管（結(jié)型二極管）制造技術(shù)"的結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。 其中使用的AlN單晶基板基材是旭化成的技術(shù)，其余兩項(xiàng)是名古屋大學(xué)與旭化成共同研究的成果。
在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)表明，通過使用分布式極化摻雜作為雜質(zhì)摻雜的替代方案，即使在 AlN 基半導(dǎo)體中也可以實(shí)現(xiàn)良好的 p-n 結(jié)。 此外，AlN材料最重要的物理性能值——介電擊穿場強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明至少是傳統(tǒng)WBG半導(dǎo)體的兩倍。 研究小組預(yù)計(jì)，這項(xiàng)研究結(jié)果將刺激對AlN基材料的研究，并擴(kuò)大利用DPD的各種設(shè)備的研究和開發(fā)。