近日,南方科技大學(xué)電子與電氣工程系助理教授化夢(mèng)媛團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位兩步“氧化-重構(gòu)”過(guò)程將GaN表面轉(zhuǎn)化為氮氧化鎵(GaON)外延納米層，克服了這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作以“Formation and Applications in Electronic Devices of Lattice-Aligned Gallium Oxynitride Nanolayer on Gallium Nitride”為題發(fā)表在Advanced Materials。

氮化鎵（GaN）是極具潛力的第三代半導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于功率器件、射頻器件及光電器件。然而GaN材料表面的脆弱性是阻礙GaN基器件發(fā)展的關(guān)鍵限制，特別是在器件穩(wěn)定性和可靠性方面。

圖1 氮氧化鎵的形成過(guò)程

化夢(mèng)媛團(tuán)隊(duì)通過(guò)“等離子體氧化-高溫重構(gòu)”工藝技術(shù)，在GaN表面生成了一層GaON納米層（圖1）。等離子體氧化可以幫助氧原子克服GaN表面的化學(xué)惰性，從而深入GaN表面2至3納米。高溫退火控制了熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)反應(yīng)路徑，生成了具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)態(tài)GaON。后續(xù)的材料表征發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所得的GaON是由兩層不同氧組分的GaON構(gòu)成的：上層GaON中的氧組分高于下層GaON中的氧組分。第一性原理計(jì)算揭示了氧原子在GaN中的分凝現(xiàn)象，解釋了實(shí)驗(yàn)中觀察到的雙層亞穩(wěn)態(tài)GaON。

圖2 氮氧化鎵在（a）功率器件、(b)電化學(xué)器件、和(c)光電器件中的應(yīng)用

相比于在GaN表面形成完全氧化的GaO或者其他氧化物，GaON跟GaN有更好的晶格匹配，從而有較少的界面態(tài)密度，更加適合在實(shí)際器件中應(yīng)用。本論文展示了GaON在兩種基本電學(xué)器件（肖特基二極管、p型晶體管）中的應(yīng)用。GaON可以有效降低GaN肖特基二極管的反向漏電，提升GaN p型晶體管的柵極控制能力。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的GaON也有良好的均勻性，非常有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

基于GaON的材料特性和其與GaN器件平臺(tái)的兼容性，本論文展望了GaON在功率器件、電化學(xué)器件、和光電器件中的應(yīng)用（圖2），為未來(lái)研究 GaON 納米層作在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提出了可能的方向。

南科大為論文第一單位。化夢(mèng)媛為通訊作者。南科大-港科大2020級(jí)聯(lián)培博士生陳俊廷和南科大電子與電氣工程系研究助理教授趙駿磊為共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深港澳科技項(xiàng)目的資金支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208960 

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