YAlN：一种极具潜力的宽禁带半导体材料

搁浅

YAlN：一种极具潜力的宽禁带半导体材料(DOI: 10.3389/fmats.2025.1526968)

引言
近年来，宽禁带半导体材料因其在高频、高功率电子器件中的优异性能而备受关注。其中，YAlN（钇铝氮化物）作为一种新兴的宽禁带半导体，展现出与 ScAlN（钪铝氮化物）相媲美的潜力。本文将详细介绍 YAlN 的材料特性及其在不同应用中的潜力。

材料特性
YAlN 的晶体结构为六方纤锌矿结构，具有较高的热稳定性和机械性能。理论计算表明，YAlN 的禁带宽度随 Y 含量增加而逐渐减小，从 AlN 的 6.2 eV 降至 YN 的 1.229 eV。此外，YAlN 的弹性模量和热导率也表现出随 Y 含量增加而降低的趋势。这些特性使得 YAlN 在高频声学器件和高电子迁移率晶体管（HEMT）等领域具有广阔的应用前景。

图 1：YAlN 的晶体结构示意图

图 2：YAlN 的禁带宽度随 Y 含量变化曲线

生长技术
目前，YAlN 的制备方法主要包括磁控溅射、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）。磁控溅射技术因其成本低、可大面积制备等优点被广泛应用，但存在氧化问题。MOCVD 和 MBE 技术则能够提供更高的晶体质量，但成本较高。例如，Afshar 等人通过磁控溅射在蓝宝石衬底上成功制备了 Y 含量高达 0.37 的 YAlN 薄膜。

图 3：不同生长方法制备的 YAlN 薄膜的晶格参数变化

应用前景
YAlN 的高压电系数使其在高频声学器件中具有显著优势。例如，Assali 等人计算表明，基于 YAlN 的表面声波（SAW）器件的机电耦合系数可提高约 650%。此外，YAlN/GaN 异质结构在高电子迁移率晶体管（HEMT）中也展现出优异性能，其二维电子气（2DEG）的面密度可达 1.5 × 10^13 cm^-2。

总结
YAlN 作为一种新兴的宽禁带半导体材料，凭借其优异的物理和化学特性，在高频声学器件和高功率电子器件领域展现出巨大的应用潜力。未来的研究应进一步优化其生长工艺，提高晶体质量和性能稳定性，以推动 YAlN 的商业化应用。