电子亲和能应用应用AlN的极端温度器件|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

应用AlN的极端温度器件

具有AlN沟道的二极管和晶体管具有高击穿电压特性，可在极高温度下工作

作者：Hironori Okumura，筑波大学

许多人类活动正在扩展到极端环境，通常是为了开发资源。这使得探索向各个方向发展，包括地下深处、海洋深处和深空。在所有这些环境中，温度都是极端的——金星表面、深井钻探以及工作中发动机内部空间的温度都超过300℃。要了解有关所有这些环境的更多信息，需要部署传感器。但最常见的那些——即基于硅的感器——由于工作温度限制相对较低，无法胜任这项任务。这意味着，为了丰富我们在这些环境中的生活，我们需要开发极端温度电子产品。当所有形式的半导体器件在极端温度下工作运行时，它们会面临与材料、电极、栅极氧化物和封装相关的问题（见图1）。随着温度升高，电子从价带最大值激发到导带最小值，因此会产生大量电子-空穴对。这些电子会增加本征载流子浓度（见图2（a）），从而造成不利影响，因为它们会增加器件的漏电流，阻止其关闭。减少漏电流的方法包括引入具有较大带隙能量和较低本征载流子浓度的半导体材料（见图2（b）），或限制电流从沟道以外的区域扩散。采用高电阻率层包围的沟道层，有效施主/受主浓度低，缺陷浓度低，可以提高器件的工作温度。另一种方法是部署具有p-n结的器件，例如JFET和BJT。在这些情况下，为电极选择与基础半导体反应性最小的难熔金属也很重要。尤其，钛、钒、钽、钼、钨和铂比铝、镁、铜、银、铟和金更适合此用途。

△ 图1：具有栅极氧化物的MESFET中的漏电流路径和热退化点。

△ 图2：（a）高温下电子-空穴对生成的图示。（b）硅、SiC、GaN、β-Ga2O3、金刚石和AlN的本征载流子浓度与温度倒数的关系。

为什么使用AlN？ 有许多半导体材料的带隙比硅更大。它们包括SiC（3.3 eV）、GaN（3.4 eV）、Ga2O3（4.7-5.2 eV）、金刚石（5.5 eV）和AlN（6.1 eV）。由Philip Neudeck带领的NASA团队报告称，SiC JFET可以在超过800℃的温度下工作。这无疑是一个引人瞩目的结果，不过带隙更宽的材料还有望达到更高的温度。然而，其中不少有明显的缺点。GaN的有效施主浓度高达1016 cm-3；不可能形成p型Ga2O3层；金刚石在700℃左右开始与氧气发生反应。与之形成鲜明对比的是，AlN没有明显缺陷，并且具有热稳定性和可控掺杂性。由于这些特性，我们筑波大学的团队一直将所有注意力都集中在AlN上，旨在开发极端温度器件。从历史上看，人们一直认为氮化铝只能作为绝缘体。然而，大约20年前，NTT的Yoshitaka Taniyasu及其同事通过MOCVD生长导电AlN层证明了情况并非如此。该团队记录了掺杂浓度为3×1017cm-3的硅掺杂AlN层的电子迁移率为426cm2 V-1 s-1。在这项工作的基础上，他们继续开创p型AlN生长，并展示了首款波长为210 nm的AlN LED和准垂直型AlN p-n二极管。这些成功要归功于最近基于AlGaN和AlN的深紫外LED的快速发展。除了光学器件之外，研究界为了探索高临界电场的潜在优势，还研究了AlN肖特基势垒二极管和AlN/AlGaN HEMT。可惜的是，由于施主和受主的电离能较高，这些器件的载流子浓度较低——硅为0.3 eV，镁为0.6 eV。因此，这两种掺杂剂的载流子浓度比它们的浓度低大约两个数量级，导致器件的电流非常小。为了克服这个问题，我们的团队与麻省理工学院和阿尔托大学的研究人员合作，通过在N极性AlGaN/AlN结构中引入极化诱导掺杂，开辟了新的领域。由于自发极化和压电极化，这种形式的掺杂可以增加电流并降低接触电阻。利用极化诱导掺杂，我们展示了首款N极性AlN基PolFET和HEMT，其漏极电流超过100 mA mm-1。基于这样的成功，我们将氮化铝定义为光学和电气器件领域的实用半导体。为了生产这些器件，我们得到了许多材料供应商的支持。2英寸蓝宝石衬底上的高质量AlN样品可从Dowa Electronics Materials购买，2英寸块状AlN可从Stanley和Asahi Kasei购买。掺杂AlN 控制半导体中掺杂剂的浓度是在晶体生长、热扩散和可能的注入过程中掺入杂质。后者是一项有吸引力的技术，能够实现精确的剂量控制并确保掺杂剂的高横向均匀性。然而，当采用高剂量注入时，它们往往会损坏晶格并引入高浓度的点缺陷，由此会补偿掉载流子。幸运的是，大部分损坏可以通过后续热退火来修复，我们在生产硅注入的n型AlN沟道时就使用了热退火。AlN晶体（包括其表面）令人印象深刻的特性之一是在高温下的鲁棒性，在高达1700℃的氮气下仍能保持稳定。这种鲁棒性为修复注入损伤提供了宽阔的窗口——该过程需要1200℃以上的温度来电激活硅注入的AlN层。但请注意，选择退火温度时需要慎重考虑，因为它可能会导致材料发生其他变化。超过1400℃时，硅和氧杂质会在上面的层内扩散。由于氧原子从蓝宝石衬底中扩散，在氮气下在1500℃时分解，蓝宝石衬底上的薄的AlN层在高温退火后会具有较高的氧浓度，导致电特性下降。通过与麻省理工学院、阿尔托大学、TNSC和Dowa Electronics Materials公司合作，我们研究了AlN中硅、氧和镁原子的扩散（见图3）。我们的研究表明，使用3毫米厚的AlN层进行退火后，从蓝宝石衬底扩散的氧原子无法到达沟道层。由此我们得出结论，具有硅和镁注入的导电AlN层的优选退火温度范围分别为1200-1600℃和1400-1500℃。基于这些认知，我们展示了首个AlN沟道晶体管。

△ 图3：（a）1600°C退火后3μm厚的硅注入AlN层中硅、氧和碳的杂质浓度的深度分布。（b）退火后1毫米厚的镁注入AlN层中镁浓度的深度分布。当器件的制造涉及接近热平衡的条件时，例如外延生长和高温退火，有利于形成电离能为250-320 meV的深能级。这往往会导致硅施主的自我补偿，这种情况与我们的结果一致。同时，使用非平衡工艺，例如离子注入，可以增加电离能为64-86 meV的浅施主数量。这促使北卡罗来纳大学和Adroit Materials的Hayden Breckenridge及其同事通过硅注入和在1200℃的相对低温下进行后退火来生产高导电性的AlN层。另一个振奋人心的结果来自京都大学，AlN的替代镁受主结合能仅为250-410 meV，该值远小于普通MOCVD生长的AlN层中镁受主的电离能。总而言之，这些结果表明，如果在掺杂硅和镁的AlN中能够重复且轻松地控制非平衡工艺条件，这可能会为性能大幅提高的电子和光学器件打开大门。AlN的电性能 为了提高AlN基器件的电气性能，需要做的不仅仅是解决因低载流子浓度而受到损害的n型和p型AlN层的高电阻率问题。此外，还需要解决由于电子亲和力小而导致的高接触电阻率问题。在室温下在AlN中形成欧姆接触尤其具有挑战性。电压降由肖特基势垒的高度决定，肖特基势垒的高度取决于金属功函数和半导体电子亲和势之间的差异。通过适当选择电极材料来降低势垒高度，可以产生欧姆接触。n型AlN的选择有钛、铝、钒和钼，而p型AlN的欧姆接触可以使用钯和NiO。半导体材料中重掺杂的影响之一是由于耗尽区宽度减小，导致隧道效应穿过势垒。最顶层AlN表面的重掺杂对于欧姆接触非常重要。然而，由于AlN层中硅和镁掺杂剂的浓度限制在1019 cm-3左右，可能是由于补偿缺陷形成，因此场发射隧道效应没有应用前景。为了确定半导体结构中的载流子浓度和载流子迁移率，研究人员倾向于采用霍尔效应测量。由于这些测量需要欧姆特性，一些研究使用了重掺杂的GaN接触层。由此能够在室温和高温下测定AlN的电性能。我们与其他人一起评估了高温下的载流子浓度和载流子迁移率，分别获得了在超过200℃和500℃的温度下n型和p型AlN的值。在进行这项研究时，我们发现了一个与高温测量相关的新问题。由于我们缺乏适用于极端温度的粘合和封装技术，因此必须应用探针台。我们还发现普通探头尖端在高温下会退化。请注意，大多数报道的器件最高工作温度不超过500℃，这意味着在高于此温度时电气特性的测量不可靠。我们与Dowa Electronics Materials公司合作，利用高温探针系统评估了蓝宝石衬底上3m厚的AlN层的电气特性，该高温探针系统在高真空下的最高测量温度为900℃。为此，我们在室温下将硅注入AlN层中以获得n型电导；在150 nm深的箱型掺杂分布中，浓度为2×1019 cm-3。这些硅注入的AlN层随后在1500℃下进行退火。然后，我们沉积Ti/Al/Ti/Au电极用于欧姆接触，然后在950℃下合金化。我们的电极在877℃时退化，可能是由于Ti/Al和AlN之间的反应。这就需要寻找适合极端温度下欧姆接触的金属。针对考虑到的温度，我们观察到电流-电压关系在127℃以下呈非线性，在227℃以上几乎呈线性。经过评估227℃至827℃之间的电气特性发现，薄层电阻和接触电阻率随着温度的升高而降低。从227℃到627℃，随着温度的升高，电子迁移率略有下降，但由于施主电离增强，电子浓度增加，导致高温下薄层电阻降低。由此我们得出结论，n型AlN层在极端温度下表现出优异的性能。二极管和晶体管 我们在蓝宝石衬底上制造了具有硅注入AlN层的肖特基势垒二极管和MESFET。我们的二极管能够在827℃的温度下工作（见图4），超越了之前的所有记录，而我们的晶体管的工作温度高达727℃（见图5）。AlN肖特基势垒二极管在室温下的击穿电压为610 V，而AlN MESFET在727℃下的相应击穿电压为176 V。我们认为这些器件实际上是可行的，因为它们具有简单的结构，并且AlN层生长在大尺寸、低成本的蓝宝石衬底上。

△ 图4：（a）具有硅注入AlN沟道的肖特基势垒二极管的横截面。Ni/Au阳极和Ti/Al/Ti/Au阴极。（b）AlN肖特基势垒二极管在27°C至827°C范围内的电流密度-电压特性。

△ 图5：（a）具有硅注入AlN沟道的MESFET横截面示意图。（b）AlN MESFET在727°C时的直流输出特性。为了制造肖特基势垒二极管和MESFET，我们使用Ni/Au作为阳极和栅极接触。我们发现镍具有热稳定性，即使在827℃下也几乎不与AlN发生反应。更重要的是，就电气特性而言，我们发现Ni/Au和Pt/Au之间几乎没有差异。对于肖特基势垒二极管，由于本征载流子浓度低和热稳定的Ni/AlN界面，即使在827℃下，关断电流也很小。然而，由于底部未掺杂AlN层的泄漏和高浓度的缺陷，AlN MESFET的断开状态漏极电流在727℃时很高。与硅器件中的电流在高温下由于声子散射而下降不同，我们发现AlN肖特基势垒二极管和MESFET的正向电流随着温度高达827℃而持续增加。我们将此归因于极端温度下AlN器件中的电流主要由电子浓度的增加和接触电阻率的降低决定，而电子迁移率的降低则起着次要的作用。我们开发的AlN器件为制造可在极端温度下工作的半导体器件开辟了一条新途径。尽管肖特基势垒二极管和FET的开关比与温度之间存在权衡（见图6），但AlN器件仍有很大的改进潜力。例如，通过同质外延生长和引入JFET结构的结合，应该可以提高极端温度下的开/关比。其他改进可能来自耐热欧姆接触的引入，而不是钛/铝/钛/金，此举会将工作温度提高到877℃以上。

△ 图6：基准图，将AlN器件与其他最先进的（a）肖特基势垒二极管和（b）FET的电流开关比与测量温度进行比较。对于大多数极端温度应用，IC需要长期可靠的运行。此类电路采用互补技术制造，具有n沟道和p沟道。京都大学的工程师开发了一种可在350℃温度下工作的SiC互补JFET逻辑门。我们希望我们的工作可以朝着类似的方向发展，生产出能够在极端环境下工作，具有同质外延AlN沟道的互补JFET。扩展阅读 Y. Taniyasu et al. “An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres” Nature 441 325 (2006)P. G. Neudeck et al. “Demonstration of 4H-SiC Digital Integrated Circuits Above 800 ° C” IEEE Elec. Dev. Lett. 38 1082 (2017)H. Okumura et al. “AlN metal–semiconductor field-effect transistors using Si-ion implantation” Jpn. J. Appl. Phys. 57 04FR11 (2018)J. Lemettinen et al. “N-Polar Polarization-Doped Field Effect Transistor based on AlGaN/AlN with drain current over 100 mA/mm” IEEE Elec. Dev. Lett. 40 1245 (2019)A. G. Baca et al. “Al-rich AlGaN based transistors” J. Vac. Sci. Technol. 38 020803 (2020)M. Hayden Breckenridge et al. “Shallow Si donor in ionimplanted homoepitaxial AlN” Appl. Phys. Lett. 116 172103 (2022)M. Hiroki et al. “High-Temperature Performance of AlN MESFETs with Epitaxially Grown n-Type AlN Channel Layers” IEEE Elec. Dev. Lett. 43 350 (2022)H. Okumura et al. “Impurity diffusion in ion implanted AlN layers on sapphire substrates by thermal annealing” Jpn. J. Appl. Phys. 61 026501 (2022)H. Okumura et al. “Mg implantation in AlN layers on sapphire substrates” Jpn. J. Appl. Phys. 62 020901 (2023)H. Okumura et al. “Temperature dependence of electrical characteristics of Si-implanted AlN layers on sapphire substrates” Appl. Phys. Exp. 16 064005 (2023)

优必选亮相世界机器人大会：打造人机共存的智能时代

8月20日，由北京市人民政府、工业和信息化部、中国科学技术协会共同主办，中国电子学会、北京市经济和信息化局、北京经济技术开发区管委会承办的2019世界机器人大会在北京亦创国际会展中心盛大开幕。

本届大会以“智能新生态，开放新时代”为主题，180多家国内外知名企业及科研机构的涉及21个行业应用的700 余件（套）最新技术成果、应用产品、解决方案集聚亮相。

作为全球领先的人工智能和人形机器人企业，优必选科技再次亮相2019 WRC，带来了机器人在不同生活场景下的智能应用和体验，向世界展示人机共存的智能时代的美好生活。

同时，在当晚新闻联播报道的大会开幕内容中，Walker也作为唯一的服务机器人代表亮相。

机器人广泛应用，助力智能时代美好生活

让机器人端茶倒水、导航引路、巡逻、答疑解惑，和机器人一起学习，或者和机器人来一场精彩的AR游戏……在2019WRC上，优必选科技展示了机器人在家庭服务、娱乐、教育、党建、安防、商用服务等多个领域的应用，越来越多的机器人正在来到我们身边，人机共存的智能时代已经来临。

图为Walker展示在家庭场景中的服务能力

Walker展示了在家庭场景中的服务能力，作为一名“智能助手”，Walker可以为人类开冰箱、取水果、倒水、播放音乐、跳舞等。其由优必选科技全自主研发，是一款形象亲和、交互自然、适应家庭场景的大型仿人服务机器人，搭载了36个高性能伺服关节，以及力觉、视觉、听觉和平衡等全方位的感知系统，拥有复杂地形灵活行走、自平衡能力、手眼协调操作、全身柔性安全交互、U-SLAM导航避障、人脸/物体/场景识别、多模态交互、智能家居控制等功能，具备在常用家庭场景和办公场景的自由活动和服务的能力，是中国第一款可商业化落地的大型仿人形服务机器人。

图为ATRIS（安巡士）

图为AIMBOT（智巡士）

在安防领域，除了能在校园、企业园区、仓储园区、电站、地产社区等室外场景巡逻、保障公共安全的智能巡检机器人ATRIS（安巡士），一款全新的室内智能巡检机器人AIMBOT（智巡士）首次亮相，它具有智能巡检、安全巡检、访客管理、资产盘点等核心功能，可应用于机房设备及室内环境等多种巡检安防场景，应用场景包括IDC机房、银行、办公楼宇、大型商场、智慧物业等，开启了智能化室内巡检的新时代。

图为党建机器人Cruzr（克鲁泽）

智能服务机器人Cruzr（克鲁泽）此次不仅再次担任智慧茶饮店店长，还以党建机器人的身份亮相。党建机器人克鲁泽是优必选科技与人民日报数字传播有限公司在全国范围内共同推出的智慧党建机器人，通过人工智能让党的声音传的更广、更远、更深入，深度诠释党建工作的智能化理念，为党建工作的创新发展贡献力量。

图为AI教育小讲堂

在教育领域，优必选科技此次带来了人工智能及机器人教育解决方案、编程教育机器人、机器人赛事的全方位展示。在AI教育小讲堂，专业老师讲述生动的AI课程，通过优必选科技与华东师范大学出版社联合推出的十册《AI上未来智造者》系列丛书，借助智能开源机器人uKit、uKit Explore在“智慧工厂”场景下的智能应用，体验“链接真实世界”的AI教育理念。目前，优必选科技的教育产品和解决方案已经覆盖全球40多个国家，助力人工智能教育的普及，培养人机共存时代的人才。

图为Jimu Robot “超变铁甲”

编程教育机器人Jimu Robot带来了新品——首款桌面轻格斗编程机器人“超变铁甲”，其是根据热门铁甲的IP形象，基于Jimu Robot的软硬件体系，与《铁甲雄心》的出品方创客星球一起研发的新品。借力《铁甲雄心》综艺IP，“超变铁甲”主打桌面竞技玩法，通过配套地图、场地机关等道具，可模拟格斗场气氛，鼓励多人互动，为用户提供了有别于网游、更具有灵活性的新型娱乐方式。

图为观众参加Robo Genius“绿茵小将”比赛

今年优必选科技正式成为世界机器人大赛赛事合作伙伴，旗下Robo Genius“绿茵小将”成为世界机器人大赛青少年机器人设计类赛项，将于8月22日亮相2019世界机器人大赛冠军赛现场，届时100多支来自全国的中小学队伍将通过操作自主设计的机器人，在Robo Genius“绿茵小将”的赛场上展开精彩角逐。

图为钢铁侠 MARK50机器人

在钢铁侠体验区，不仅有大型钢铁侠MARK50模型可供参展者互动打卡，还有18台机器人集结亮相，吸引了众多漫威粉丝与钢铁侠MARK50机器人一起进入复仇者联盟战场，体验沉浸式AR游戏。

图为56个身穿民族服饰的悟空机器人

庆祝建国70周年，优必选科技与中央美术学院合作的项目也在现场展出，双方大胆探索“科技X艺术X民族文化”的边界，精心考究各民族的传统服饰特点与民族文化传承印记，为悟空机器人量身定做了56套民族服饰，悟空机器人用语音故事、主题海报、互动游戏等多样的形式演绎中华民族创新故事。由2018《中国新说唱》的冠军艾热创作的歌曲《悟空说》也在现场同步亮相，56个身穿民族服饰的悟空机器人凭借超强的生命感与表现⼒，带来壮丽的民族之歌，致敬充满智慧和创新精神的56个民族，用民族科技与文化的创新融合践行“科技兴国”的国家战略。

多项人工智能和机器人核心技术首次对外展出，助力行业发展

优必选科技一直专注于人工智能及机器人领域的研发和创新，积累了一系列核心技术，包括高性能伺服驱动器及控制算法、多关节运动控制算法、面向服务机器人的计算机视觉算法、智能服务机器人自主导航定位算法、机器人操作系统应用框架ROSA等，均处于国际顶尖技术水平。在2019WRC上，优必选科技首次对外展出了伺服舵机、机器人控制系统和语音技术。

图为优必选科技首次对外展出伺服舵机

伺服舵机是机器人产业化的关键核心元件和之一，用于机器人的伺服舵机要求扭矩大、体积小、控制精度高。优必选科技已经开发出了2Kg.cm、3Kg.cm、4Kg.cm、8Kg.cm、12Kg.cm、20Kg.cm、25Kg.cm、60Kg.cm、15Nm、25Nm、30 Nm、60 Nm、120 Nm等扭矩系列的伺服舵机，并实现了全系列的产业化应用，拥有全部自主知识产权。这些伺服舵机不仅为优必选机器人的灵活运动性能提供了坚实的技术基础，未来还可应用于航模、机械臂、大型无人机等智能产品。

图为优必选科技自主研发的机器人控制系统

优必选科技自主研发的面向多自由度的实时机器人控制系统也亮相展台，这套系统由多核异构处理器硬件平台、实时主站软件以及多任务App软件框架三大部分组成。在2019 RoboCup（机器人世界杯）上，优必选科技和清华大学联合组成的火神队（Hephaestus），参赛的Walker机器人采用了该控制系统，最终斩获人形组三项大奖。

图为观众现场体验优必选科技语音转换技术

优必选科技自主研发的语音转换技术让现场观众不仅可以听到明星的声音，还可以通过Cruzr（克鲁泽）录入想说的话，机器人即可利用深度学习技术生成模仿观众声音的模型，并与其互动。此语音转换技术的主要特点包括：使用了迁移学习对大量的不同说话人的数据学习建立平均模型；语音克隆只需要小样本数据；语音转换相似度高；语音合成质量高；用模型压缩技术，将智能语音转换技术植入移动设备，充分利用移动设备的有限计算资源，离线情况下也可以完成语音变声；语音转换速度快；利用云端强大的计算资源，提供在线的语音转换、克隆的解决方案。未来此语音技术会形成端云一体化平台，对第三方开发者开放。

随着人工智能与机器人技术的快速发展，智能服务机器人及相关技术将实现大规模的产业应用，逐步成为人们生活的必需品，满足人口老龄化、子女教育陪护、家庭服务、公共服务等需求，甚至能够赢得人类的信任，成为家庭的一员。在人机共存的时代，优必选科技以智能服务机器人为载体，以“AI+”赋能各行业，致力于打造“硬件+软件+服务+内容”的智能服务生态圈，与合作伙伴一起，让智能机器人走进千家万户。(王磊）