到目前為止，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）作為功率電子器件晶體管的半導(dǎo)體材料的研發(fā)已經(jīng)取得進(jìn)展，并且已經(jīng)開(kāi)始實(shí)用化。通常由輕元素構(gòu)成的半導(dǎo)體的介電擊穿電阻較高，但是如果將GaN中的一部分Ga替換為較輕的Al并制成AlGaN（氮化鋁鎵），則將獲得具有優(yōu)異的介電擊穿電阻的晶體。因此，具有更高介電擊穿電阻的AlGaN作為下一代功率電子材料被寄予厚望。
化學(xué)性質(zhì)方面，AlGaN材料繼承了AlN和GaN優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性。在室溫下，不與水、強(qiáng)堿和強(qiáng)酸反應(yīng)；在高溫下，與堿緩慢反應(yīng)。優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性決定了AlGaN基器件適用于多種極端環(huán)境。
物理性質(zhì)方面，AlGaN材料具有極高的熔點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)高。同時(shí)，該材料的質(zhì)地堅(jiān)硬，非常適用于制備高溫高壓等環(huán)境中工作的器件。此外，AlN、GaN和AlGaN在晶格常數(shù)以及導(dǎo)帶價(jià)帶位置上有差距，因此在形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的極化，并且表現(xiàn)出一定的壓電特性，可以用來(lái)制備壓電器件。再者，AlGaN材料還具有較大介電常數(shù)，因此也能用來(lái)制備高頻高功率器件。
電學(xué)性質(zhì)方面，電場(chǎng)強(qiáng)度在一定程度上對(duì)于AlGaN的電子遷移率影響較小，該特性使得AlGaN材料可以用來(lái)制備微波器件。由于材料真空電離能較高，且化學(xué)惰性很強(qiáng)，因此難以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，尤其是p型歐姆接觸。目前，主要通過(guò)在AlGaN表面額外生長(zhǎng)一層p型GaN來(lái)實(shí)現(xiàn)p型歐姆接觸。
光學(xué)性質(zhì)方面，AlGaN是直接帶隙半導(dǎo)體，具有很高的發(fā)光效率。在帶隙寬度方面，通過(guò)調(diào)整Al：Ga比例可以實(shí)現(xiàn)帶隙在3.39-6.024eV間可調(diào)，極大地覆蓋了紫外光區(qū)，并且包含了整個(gè)日盲區(qū)，目前GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)是日盲探測(cè)器的首選。此外，AlN的電子親和能只有0.6eV，在某些條件下甚至能為負(fù)值，這意味著Al組分較高的AlGaN材料可以制備高效率的發(fā)光器件。目前，光學(xué)性質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)是AlGaN材料吸引巨大研究熱情的主要原因。
金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在過(guò)去的20年里已經(jīng)發(fā)展成為Ⅲ-Ⅴ族氮化物外延生長(zhǎng)的主要技術(shù)。
1967年，Manasevit等研究者發(fā)現(xiàn)，金屬有機(jī)化合物三甲基鎵（CH3）3Ga和氫化物的氣相混合物，在H2氣氛中在600-700℃溫度下熱解，可以用來(lái)生長(zhǎng)GaN材料，自此MOCVD進(jìn)入了研究人員的視野。
在80年代之后，這項(xiàng)技術(shù)有了更快的發(fā)展，采用MOCVD技術(shù)可以在大襯底基片上沉積得到均勻的外延層，尤其在Ⅲ族氮化物生長(zhǎng)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的持續(xù)發(fā)展，九十年代后，MOCVD已經(jīng)成為了GaN、AlGaN等半導(dǎo)體材料及其相關(guān)器件的重要生長(zhǎng)方法。
使用MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)AlGaN材料，其基本原理是將Ⅲ族元素金屬有機(jī)化合物源和Ⅴ族化合物的氮源，通過(guò)載氣進(jìn)入反應(yīng)室，并在反應(yīng)室內(nèi)部充分混合，在反應(yīng)室的反應(yīng)分為多個(gè)步驟來(lái)完成：
首先是Ⅲ族源氣和氮源的裂解反應(yīng)，TMGa和NH3通過(guò)反應(yīng)生成反應(yīng)前驅(qū)體和副產(chǎn)物；裂解反應(yīng)的產(chǎn)物會(huì)沉積在底部襯底的表面，同時(shí)TMGa和NH3也會(huì)在進(jìn)入反應(yīng)室后，向襯底上逐步擴(kuò)散；沉積在襯底上的前驅(qū)體在表面發(fā)生遷移和擴(kuò)散，與到達(dá)襯底的NH3發(fā)生反應(yīng)，在高溫反應(yīng)下產(chǎn)生最終產(chǎn)物和副產(chǎn)物；隨后最終未反應(yīng)的源分子，反應(yīng)副產(chǎn)物等會(huì)在載氣的攜帶下，離開(kāi)反應(yīng)室，進(jìn)入設(shè)備后續(xù)的尾氣處理流程。
（圖源：王科，《AlGaN材料的腐蝕和再生長(zhǎng)研究》）
值得一提的是，AlGaN材料生長(zhǎng)中，Ⅲ族金屬有機(jī)源氣主要有TMAl和TMGa，通過(guò)控制通入反應(yīng)室內(nèi)TMAl和TMGa源氣的流量摩爾比，可以控制最終產(chǎn)物AlGaN中Al組分的含量。
其中TMAl在與NH3反應(yīng)生長(zhǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的預(yù)反應(yīng)，兩者生成TMAl·NH3，在后續(xù)反應(yīng)中，TMAl·NH3會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)最終生成AlN顆粒。大多數(shù)AlN顆粒會(huì)被載氣帶出反應(yīng)室，這會(huì)造成反應(yīng)物源的浪費(fèi)，同時(shí)少部分顆粒留在反應(yīng)室內(nèi)繼續(xù)生長(zhǎng)時(shí)，會(huì)造成大量位錯(cuò)的產(chǎn)生，這也是AlGaN材料生長(zhǎng)質(zhì)量不高的原因之一，也是AlGaN材料面臨的困難之一。
除了生長(zhǎng)率低，MOCVD技術(shù)需要約1000°C的高溫、成本昂貴，這些因素都阻礙著其廣泛應(yīng)用。
今年7月，日本東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所發(fā)布了一項(xiàng)新的AlGaN生長(zhǎng)技術(shù)-脈沖濺射沉積（PSD）。
該技術(shù)主要有3個(gè)亮點(diǎn)：
③性能比傳統(tǒng)GaN器件更強(qiáng)，AlGaN原型耐壓超過(guò)1600V。
脈沖濺射沉積（圖源：東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所）
據(jù)稱，他們已經(jīng)通過(guò)該技術(shù)制造了AlGaN晶體管原型，并實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。該所的Hiroshi Fujioka教授表示，他們的AlGaN晶體管有望在未來(lái)將取代GaN晶體管，同時(shí)其性能也將超過(guò)GaN晶體管的極限。通過(guò)使用濺射生長(zhǎng)法，可以將這種AlGaN晶體管的生長(zhǎng)成本降低至十分之一左右，有可能取代低成本硅基MOSFET。而且，他們所開(kāi)發(fā)的AlN/AlGaN-HEMT，有望用于制作高性能電力轉(zhuǎn)換元件和6G通信等下一代無(wú)線通信元件。未來(lái)，研究小組將優(yōu)化新器件結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)業(yè)化落地做準(zhǔn)備。
AlGaN的禁帶寬度可以從3.39eV連續(xù)調(diào)節(jié)到6.2eV，其截止波長(zhǎng)可從365nm（GaN）調(diào)節(jié)到200nm（AlN），十分適合制作紫外探測(cè)器。傳統(tǒng)的Si基光電探測(cè)器具有低效率、壽命短和高工作電壓的缺點(diǎn)，而AlGaN由于其直接帶隙結(jié)構(gòu)擁有高量子效率和低表面復(fù)合率，且其耐高溫高壓可滿足在極端物理環(huán)境下保持良好的穩(wěn)定性能，所以使用AlGaN材料制成的紫外探測(cè)器性能遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的Si基光電探測(cè)器。
深紫外發(fā)光二極管（DUV-LED）的發(fā)射波長(zhǎng)在220-360nm之間，其主要用途有紫外線固化、水/空氣/表面凈化、植物生長(zhǎng)照明、環(huán)境氣體傳感、計(jì)量目的、光治療、癌癥檢測(cè)和病毒治療。AlGaN材料被廣泛應(yīng)用于DUV-LED的制備。AlGaN基深紫外發(fā)光二極管具有壽命長(zhǎng)、波長(zhǎng)可調(diào)、環(huán)境友好、方向性好、開(kāi)關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在水中取代傳統(tǒng)的紫外光源（特別是汞燈）方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。
第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN及三元合金AlGaN調(diào)制而成的AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有卓越的電學(xué)特性，它在室溫下即可獲得高達(dá)1500cm2/VS的電子遷移率及高達(dá)2x107cm/s的飽和電子速度，并且在界面處存在比第二代半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)更高密度的二維電子氣（2DEG），這些特性使AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)成為異質(zhì)結(jié)HEMT器件的熱點(diǎn)材料。
AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管（HEMTs）具有高擊穿電壓、高飽和電子速度和高電流密度等優(yōu)良特性，主要應(yīng)用場(chǎng)景有微波功率放大器、超高速單片集成電路等。
隨著半導(dǎo)體器件應(yīng)用場(chǎng)景的不斷變化，對(duì)材料能夠滿足耐高溫高壓、高電子遷移率、高擊穿電壓等要求越來(lái)越迫切。以Si為代表的第二代化合物半導(dǎo)體逐漸不能滿足行業(yè)需求，而以GaN及AlGaN合金為代表的第三代化合物半導(dǎo)體的性能可以極好的滿足上述要求，在功率電子器件、微波器件、紫外發(fā)光器件等領(lǐng)域擁有光明的應(yīng)用前景。
