YAlN：从基础研究到实际应用的探索之路

搁浅

YAlN：从基础研究到实际应用的探索之路（DOI: 10.3389/fmats.2025.1526968）
引言
在半导体材料领域，YAlN（钇铝氮化物）作为一种新兴的宽禁带半导体，正逐渐受到研究者的关注。本文将探讨 YAlN 从基础研究到实际应用的探索之路，重点介绍其在高频声学器件和高电子迁移率晶体管（HEMT）中的应用潜力。

基础研究
YAlN 的研究始于对其晶体结构和物理特性的理论计算。研究表明，YAlN 在六方纤锌矿结构中具有较高的热稳定性和机械性能。此外，YAlN 的禁带宽度随 Y 含量的增加而逐渐减小，这为其在光电器件中的应用提供了理论基础。例如，Xie 等人通过第一性原理计算发现，YAlN 的禁带宽度从 AlN 的 6.2 eV 降至 YN 的 1.229 eV。


生长技术的探索
为了实现 YAlN 的实际应用，研究者们开发了多种生长技术，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。


高频声学器件的应用
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 基的体声波（BAW）器件也展现出优异的性能，其耦合系数随 Y 含量增加而提高。这些特性使得 YAlN 在高频滤波器和传感器等领域具有广阔的应用前景。

高电子迁移率晶体管（HEMT）的应用
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。研究表明，YAlN/GaN 异质结构的二维电子气（2DEG）面密度可达 1.5 × 10^13 cm^-2。这表明 YAlN 在高功率电子器件中具有巨大的应用潜力。

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。