Kesan Suhu pada Sifat Bahan dan Peranti AlN +

PAM-XIAMEN boleh menawarkan templat AlN untuk peranti kuasa suhu tinggi/berfrekuensi tinggi. Untuk spesifikasi lanjut, sila rujuk di[email protected]

AlN, dengan jurang jalur lebar 6.1eV, kekonduksian terma yang tinggi dan medan elektrik pecahan tinggi, adalah calon yang sesuai untuk aplikasi suhu melampau. Walau bagaimanapun, aplikasi praktikal AlN menghadapi dua cabaran teras: (i) tegasan sisa yang timbul daripada heteroepitaksi (cth, pada substrat nilam) disebabkan oleh ketidakpadanan kekisi (13.2%) dan ketidakpadanan pekali pengembangan terma (45.4%); dan (ii) kecekapan doping jenis n yang rendah dihadkan oleh kesan pampasan diri (pusat DX) penderma Si. Kedua-dua isu berkait rapat dengan suhu—suhu mempengaruhi pelepasan dan evolusi tegasan, dan menentukan kadar pengionan penderma dan gelagat pengangkutan pembawa.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Wei et al. menjalankan analisis mendalam tentang evolusi tekanan dan perubahan sifat optik filem AlN yang ditanam MOCVD melebihi 80-850K, mendedahkan peranan positif substrat bercorak nano dalam pelepasan tegasan haba. Sementara itu, Okumura et al. menyiasat secara sistematik sifat elektrik lapisan AlN yang ditanam Si pada julat suhu 300-1150K, berjaya menunjukkan operasi diod penghalang AlN Schottky dan MESFET pada suhu melebihi 1000K.

1. Pengaruh Suhu terhadap Sifat Asas Bahan AlN

1.1 Evolusi Suhu Tekanan Baki

Wei et al. menumbuhkan lapisan epitaxial AlN pada substrat nilam rata (CSS) dan substrat nilam bercorak nano (NPSS) oleh MOCVD (masing-masing dirujuk sebagai Sampel A dan Sampel B), dan mengkaji pergantungan suhu tegasan sisa melalui spektroskopi Raman yang bergantung kepada suhu (80-300K). Anjakan Raman bagi mod fonon E₂(tinggi) mempamerkan anjakan merah dengan peningkatan suhu, yang termasuk sumbangan daripada kedua-dua perubahan pemalar kekisi akibat pengembangan haba dan kesan anharmonik.

Menggunakan hubungan anjakan tegasan-Raman σ = (ω – ω₀)/κ (di mana κ = 4.04cm⁻¹/GPa, ω₀ = 657.4cm⁻¹), tegasan dwipaksi sebagai fungsi suhu dikira. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, tegasan mampatan dalam sampel AlN pada CSS adalah setinggi 1.59GPa pada 80K, menurun kepada 0.60GPa apabila suhu meningkat kepada 300K. Untuk sampel AlN pada NPSS, tegasan mampatan berkurangan daripada 0.90GPa pada 80K kepada 0.38GPa pada 300K. Ini menunjukkan bahawa dengan peningkatan suhu, pengembangan terma sebahagiannya mengimbangi tegasan mampatan yang terkumpul semasa pertumbuhan, dan struktur bercorak nano menyediakan saluran pelepasan tekanan tambahan melalui nanopori.

Rajah 1 Spektrum Raman bagi filem AlN/nilam dalam julat suhu 80–300K, menunjukkan anjakan merah dan meluaskan puncak E₂(tinggi) dengan peningkatan suhu

Rajah 2 Kebergantungan suhu tegasan dwipaksi dalam AlN pada substrat rata konvensional (sampel A) dan substrat bercorak (sampel B)

Analisis pembelauan sinar-X mengesahkan lagi trend di atas. Puncak pembelauan (0002) AlN pada CSS terletak pada 35.9810°, manakala pada NPSS adalah pada 35.9931°, lebih hampir kepada nilai teori untuk AlN bebas terikan. Kebergantungan suhu regangan baki paksi-c adalah konsisten dengan keputusan Raman.

Rajah 3 Analisis pembelauan sinar-X bagi sampel AlN pada substrat nilam

1.2 Kebergantungan Suhu Pemalar Optik dan Celah Jalur

Wei et al. menyiasat pergantungan suhu pemalar optik dan celah jalur filem AlN menggunakan elipsometri spektroskopi bergantung suhu (300-850K). Keputusan menunjukkan bahawa indeks biasan n meningkat sedikit dengan suhu di kawasan tenaga rendah, manakala kemuncaknya mengalami anjakan merah di kawasan tenaga tinggi; pinggir penyerapan pekali kepupusan k beralih ke arah tenaga yang lebih rendah, secara langsung mencerminkan penyempitan celah jalur.

Kebergantungan suhu celah jalur diperoleh melalui ekstrapolasi linear (αhν)² berbanding hν. Jurang jalur sampel CSS berkurangan daripada 6.16eV pada 300K kepada 5.73eV pada 850K, manakala bagi sampel NPSS berkurangan daripada 6.06eV kepada 5.64eV. Variasi ini boleh diterangkan dengan tepat oleh formula Varshni Eg(T)=E0-αT²/(T+b). Parameter yang dipasang ialah: untuk sampel CSS, E0=6.24eV, α=8.73×10⁻⁴eV/K, b=857K; untuk sampel NPSS, E0=6.19eV, α=7.84×10⁻⁴eV/K, b=672K. Mekanisme fizikal penyempitan celah jalur termasuk peningkatan dalam jarak interatomik akibat pengembangan haba dan interaksi elektron-phonon.

Rajah 4 (a)(b) Parameter elipsometrik Δ sampel CSS dan NPSS pada suhu yang berbeza; (c)(d) Kebergantungan suhu indeks biasan n dan pekali kepupusan k untuk sampel CSS; (e) (αhν)² berbanding plot hν untuk pengekstrakan celah jalur; (f) Padanan Varshni pada celah jalur sebagai fungsi suhu

Tenaga Urbach EU ialah parameter utama yang mencirikan tahap gangguan kristal dan ketumpatan kecacatan; variasinya dengan suhu mencerminkan kestabilan haba kualiti kristal. Nilai EU ialah 0.27eV untuk sampel CSS dan 0.23eV untuk sampel NPSS. EU yang lebih rendah menunjukkan ketumpatan keadaan ekor jalur yang lebih rendah dalam sampel NPSS, yang berkaitan dengan pelepasan tegasannya yang lebih lengkap. Spektrum penghantaran menunjukkan pemancaran tempatan minimum dalam julat 220–245nm untuk sampel NPSS, disebabkan oleh penyerakan cahaya oleh nanopori.

Rajah 5 Plot ln(α) lawan hν; cerun yang lebih kecil menunjukkan gangguan kristal yang lebih rendah

2. Pengaruh Suhu terhadap Sifat Elektrik AlN dan Prestasi Peranti

2.1 Pengangkutan Pembawa dan Ciri Sentuhan Lapisan AlN Si-implan

Okumura et al. mencapai doping Si dalam lapisan AlN melalui implantasi ion ([Si]=2×10¹⁹cm⁻³), diikuti dengan penyepuhlindapan pada 1500°C selama 30 minit. Pengukuran kesan Hall mendedahkan bahawa apabila suhu meningkat daripada 500K kepada 900K, kepekatan elektron meningkat dengan ketara daripada 2.5×10¹⁶cm⁻³ kepada 1.9×10¹⁸cm⁻³, disebabkan oleh pengujaan haba yang menggalakkan pengionan penderma; mobiliti elektron berkurangan daripada 19cm² V⁻¹ s⁻¹ kepada 3cm² V⁻¹ s⁻¹, terutamanya disebabkan oleh penyerakan fonon yang dipertingkatkan pada suhu tinggi. Walaupun pada 900K, kepekatan elektron kekal satu urutan magnitud lebih rendah daripada kepekatan Si yang diimplan. Okumura et al. mengaitkan ini dengan pembentukan pusat DX⁻ dalam AlN oleh Si, dengan tenaga pengionan 320meV. Memasang keadaan neutraliti cas menghasilkan kadar pengaktifan penderma hanya 10% dan nisbah pampasan 5.

Rintangan kepingan dan kerintangan sentuhan khusus yang diukur dengan kaedah talian penghantaran ditunjukkan dalam rajah berikut. Dalam julat 500–1100K, rintangan helaian berkurangan daripada kira-kira 10⁶Ω/sq kepada 1×10⁵Ω/sq, dan kerintangan sentuhan khusus berkurangan daripada kira-kira 10⁻¹Ω·cm² kepada 4.0×10⁻³Ω·cm². Penurunan ini disebabkan oleh pelepasan termionik dan mekanisme pelepasan medan termionik yang dipertingkatkan. Terutamanya, kemerosotan tidak dapat dipulihkan elektrod Ti/Al/Ti/Au berlaku pada 1150K, menunjukkan bahawa skim metalisasi sedia ada menghadapi cabaran kestabilan melebihi 1100K.

Rajah 6 (a) Kebergantungan suhu bagi rintangan helaian dan kerintangan sentuhan khusus bagi lapisan AlN yang diimplan Si (500–1100K); (b) Kebergantungan suhu kepekatan elektron dan mobiliti elektron (500–900K)

2.2 Ciri-ciri Pembetulan Suhu Tinggi Diod Penghalang AlN Schottky

Okumura et al. diod penghalang AlN Schottky yang direka dengan anod Ni/Au dan katod Ti/Al/Ti/Au, dan menguji ciri voltan ketumpatan semasanya melebihi 300–1100K. Peranti mempamerkan ciri pembetulan yang jelas pada semua suhu yang diuji. Voltan hidupkan berkurangan daripada 1.47V pada 500K kepada 1.16V pada 1000K, terutamanya disebabkan oleh penyempitan celah jalur bagi AlN dengan peningkatan suhu.

Rajah 7 (a) Ciri ketumpatan-voltan semasa diod penghalang AlN Schottky; (b) Pergantungan suhu faktor idealiti dan ketinggian halangan yang ketara

Faktor idealiti n berkurangan daripada nilai yang lebih besar daripada 1 pada 300K kepada 1.01 pada 1000K dan 1100K, menunjukkan bahawa antara muka Ni/AlN kekal stabil pada suhu tinggi. Ketinggian halangan ketara meningkat daripada 1.31eV pada 300K kepada kira-kira 3.5eV pada suhu tinggi, disebabkan oleh taburan tidak homogen ketinggian halangan antara muka. Pemasangan dengan model taburan Gaussian menghasilkan purata ketinggian penghalang bias sifar φB0 = 3.5eV. Diod penghalang Schottky mempamerkan voltan pecahan 610V pada 300K, dan nisbah hidup/mati kekal pada susunan ~10⁵ dalam julat 600–1000K. Pengiraan menunjukkan bahawa kepekatan pembawa intrinsik AlN pada 1100K hanya 6×10⁸cm⁻³, jauh lebih rendah daripada kepekatan elektron, yang merupakan sebab asas untuk mengekalkan nisbah hidup/mati yang tinggi.

2.3 Operasi Suhu Tinggi AlN MESFET

Okumura et al. MESFET AlN yang direka dengan panjang pintu 2μm dan lebar pintu 100μm. Peranti mempamerkan ciri tepu yang baik dan keupayaan modulasi voltan get pada 1000K. Arus saliran maksimum ialah 2.2mA/mm (pada Vgs = +20V), nisbah hidup/mati melebihi 10², dan voltan kerosakan tiga terminal ialah 176V (pada Vgs = -34V).

Rajah 8 (a) Skema keratan rentas MESFET AlN dan (b) ciri keluaran pada 1000K

Rajah 9 (a) Memindahkan ciri pada suhu yang berbeza dan (b) kebergantungan suhu transkonduktans maksimum dan voltan ambang

Analisis ciri pemindahan menunjukkan bahawa ayunan subambang merosot daripada 0.42V/dekad pada 300K kepada 15V/dekad pada 1000K, terutamanya disebabkan oleh peningkatan kebocoran melalui lapisan bawah AlN yang didop secara tidak sengaja dengan suhu yang meningkat. Transkonduktans maksimum g_{m, maks}meningkat daripada 7.5×10⁻⁹S/mm pada 300K kepada 2.8×10⁻⁵S/mm pada 1000K, mencerminkan bahawa peningkatan akibat suhu dalam kepekatan elektron meningkatkan arus lebih daripada kesan negatif pergerakan berkurangan. Voltan ambang beralih daripada -3.2V (300K) kepada -34V (1000K), selaras dengan pengiraan teori.

Ringkasnya, peningkatan suhu dengan ketara membebaskan tegasan mampatan dalam lapisan epitaxial AlN dan mengecilkan jurang jalurnya. Selain itu, suhu tinggi secara eksponen meningkatkan kepekatan elektron dalam lapisan AlN yang ditanam Si, membolehkan diod penghalang AlN Schottky mengekalkan nisbah hidup/mati kira-kira 10⁴ dan ketinggian penghalang tinggi 3.5eV pada 1100K, dan membolehkan modulasi voltan get stabil bagi MESFETsK berasaskan AlN.

Sama ada anda memerlukan templat AlN untuk penyelidikan atau untuk aplikasi industri, sila hubungi kami e-mel di[email protected] dan [email protected].

 

Rujukan:

1. Wei, W., Peng, Y., Wang, J., Farooq Saleem, M., Wang, W., Li, L., … & Sun, W. (2021). Kebergantungan suhu terhadap tekanan dan sifat optik dalam filem AlN yang ditanam oleh MOCVD. Bahan Nano, 11(3), 698.
2. Okumura, H., Watanabe, Y., & Shibata, T. (2023). Kebergantungan suhu ciri elektrik lapisan AlN yang ditanam Si pada substrat nilam. Ekspres Fizik Gunaan, 16(6), 064005.