來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

一、氮氧化鎵材料基本性質(zhì)：可調(diào)寬禁帶與多功能特性

氮氧化鎵(Gallium Oxynitride，GaOxNy)是一種介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間的化合物。其物化性質(zhì)可通過(guò)調(diào)控制備條件在氮化鎵(GaN)與氧化鎵(Ga2O3)之間連續(xù)調(diào)整，兼具寬禁帶半導(dǎo)體特性與靈活的功能可設(shè)計(jì)性，因此在功率電子、紫外光電器件及光電催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

晶體結(jié)構(gòu)多樣性：GaON的晶體結(jié)構(gòu)包括非晶態(tài)、β相(Ga2ON3)、γ相(Ga3O3N)及六方GaOxN1-x等，結(jié)構(gòu)與性能高度依賴于合成工藝。

能帶工程潛力：禁帶寬度(Eg)介于GaN(3.4 eV)與Ga2O3(4.5–4.9 eV)之間，可通過(guò)調(diào)節(jié)氧氮比實(shí)現(xiàn)帶隙精確調(diào)控。

界面優(yōu)化特性：GaON與GaN晶格匹配度高，可作為異質(zhì)結(jié)中間層，抑制金屬誘導(dǎo)間隙態(tài)(MIGS)和界面懸鍵態(tài)，提升器件界面質(zhì)量。

選擇性氧化工藝：基于GaN較InAlN更易氧化的熱力學(xué)特性，可在不損傷InAlN勢(shì)壘層的前提下，通過(guò)氧化反應(yīng)精準(zhǔn)制備GaON功能層。

二、氮氧化鎵材料制備方法

等離子體注入氧化：將氧等離子體注入GaN晶格，經(jīng)退火使氧原子替代氮原子，形成六方GaOxNy納米層。

氧等離子體注入(OPT)+退火形成六方GaOxNy的制備方法

射頻磁控濺射氧化：以Ga2O3為靶材，通過(guò)調(diào)控N2/O2等離子體比例實(shí)現(xiàn)組分控制，結(jié)合真空退火優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)，如下方相圖所示：

射頻磁控濺射+真空退火形成六方GaOxNy的制備方法

高溫退火：在含氧氣氛中對(duì)GaN表面進(jìn)行高溫退火，直接生成GaON層，工藝簡(jiǎn)單且兼容現(xiàn)有器件工藝。

氧氣氛圍退火形成GaON的制備方法

三、核心應(yīng)用：從電力/射頻電子到紫外光電

電力電子器件領(lǐng)域：

在p-GaN肖特基二極管(SBD)的陰極金屬層下方引入GaON納米層，可提升反向擊穿特性：利用GaON與GaN的價(jià)帶帶階差(~ 0.5 eV)阻擋空穴反向注入，使漏電流降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)保持低導(dǎo)通電阻(Ron)。

在p-GaN SBD的陰極下方引入GaON層的作用

射頻電子器件領(lǐng)域：

在GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)中，柵極金屬與溝道二維電子氣(2DEG)間的界面態(tài)(如金屬誘導(dǎo)間隙態(tài)，MIGS)是制約高頻性能的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)解決方案常通過(guò)復(fù)雜外延結(jié)構(gòu)或昂貴襯底(如碳化硅)優(yōu)化界面質(zhì)量，但存在工藝成本高、可擴(kuò)展性受限等問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所張韻團(tuán)隊(duì)基于GaON材料的創(chuàng)新性工藝為這一難題提供了全新路徑：

1. 選擇性氧化工藝的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

通過(guò)等離子體氧化技術(shù)(OPT)，在GaN/InAlN異質(zhì)結(jié)的柵下區(qū)域精準(zhǔn)氧化2 nm厚GaN帽層，生成GaON插入層。該工藝巧妙利用GaN較InAlN更易氧化的熱力學(xué)特性，在不損傷InAlN勢(shì)壘層的前提下，實(shí)現(xiàn)界面態(tài)的主動(dòng)調(diào)控。這一技術(shù)突破避免了傳統(tǒng)刻蝕或外延工藝對(duì)極化電荷的破壞，確保了2DEG的高密度與高遷移特性。

2. 高頻性能的顯著提升：

引入GaON層后，柵極漏電流降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，電子有效漂移速率提升至2.2×107 cm/s(傳統(tǒng)器件約1.5×107 cm/s)。器件截止頻率(fT)和最高振蕩頻率(fmax)分別達(dá)到240 GHz與530 GHz，與碳化硅襯底器件性能相當(dāng)，首次在低成本藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)Ka波段噪聲系數(shù)低于0.98 dB、W波段線性增益8 dB的超高頻性能。這一成果突破了襯底材料對(duì)高頻器件的限制，為大規(guī)模商業(yè)化提供了可能。

3. 工藝兼容性與微縮潛力：

相比需要復(fù)雜外延堆疊的AlN/GaN超晶格界面優(yōu)化方案，GaON插入層工藝僅需局部氧化改性，與現(xiàn)有GaN HEMT產(chǎn)線高度兼容。此外，GaON層對(duì)界面態(tài)的鈍化作用顯著降低了短溝道效應(yīng)，使器件在微縮至亞100 nm柵長(zhǎng)時(shí)得到優(yōu)異頻率特性，為5G/6G通信和太赫茲技術(shù)提供了可擴(kuò)展的技術(shù)路徑。

意義總結(jié)：重新定義GaN HEMT的性能邊界

GaON材料的引入不僅解決了傳統(tǒng)界面優(yōu)化技術(shù)中“性能-成本-工藝”難以兼得的矛盾，更通過(guò)以下創(chuàng)新點(diǎn)推動(dòng)了GaN HEMT技術(shù)的跨越式發(fā)展：

1. 低成本襯底高性能化：在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)與碳化硅器件相當(dāng)?shù)纳漕l指標(biāo)，大幅降低商用化門檻。

2. 界面態(tài)主動(dòng)調(diào)控：通過(guò)選擇性氧化實(shí)現(xiàn)納米級(jí)界面工程，避免外延工藝對(duì)極化電荷的破壞。

3. 高頻-低噪-高功率均衡提升：突破傳統(tǒng)技術(shù)中頻率與噪聲性能的此消彼長(zhǎng)，為多功能集成器件奠定基礎(chǔ)。

在高頻GaN HEMT的柵極下方引入GaON層

器件的bench mark比較

光電器件領(lǐng)域：

1. 光電催化：在n-GaN表面沉積GaON層可鈍化表面缺陷并提供更多催化活性位點(diǎn)，顯著提升光電化學(xué)水分解效率。

2. 紫外探測(cè)：在p-GaN探測(cè)器電極界面引入GaON層，利用其價(jià)帶帶階差阻擋空穴復(fù)合，暗電流降低至10?12 A量級(jí)，器件靈敏度提升3倍。

左：在光電催化水分解材料中引入GaON層的作用;右：在紫外光電探測(cè)器中引入GaON層的作用。

界面接觸技術(shù)領(lǐng)域：

在GaN基器件中，金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸的界面態(tài)(如金屬誘導(dǎo)界面態(tài)和懸鍵態(tài))會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，使接觸電阻率(ρc)長(zhǎng)期停滯在10?7Ω·cm2量級(jí)，成為器件微縮化與高頻化的主要障礙。

GaON插入層的創(chuàng)新性解決方案

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所張韻團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面退火工藝在Ti/n-GaN界面引入2-3 nm厚GaON層，實(shí)現(xiàn)以下突破：

1. 界面態(tài)鈍化：GaON層有效鈍化界面缺陷，緩解費(fèi)米能級(jí)釘扎，使接觸勢(shì)壘高度從0.42 eV降至0.24 eV。

2. 載流子隧穿增強(qiáng)：GaON與n-GaN導(dǎo)帶對(duì)齊(ΔEC≈ 0)，有利于降低隧穿電阻。

3. 工藝兼容性：僅需在標(biāo)準(zhǔn)退火流程中引入氧摻雜步驟，無(wú)需復(fù)雜外延或圖形化工藝，與現(xiàn)有工藝無(wú)縫銜接。

核心意義：重新定義歐姆接觸的設(shè)計(jì)范式

1. 微縮化關(guān)鍵支撐：超低ρc能使GaN器件在納米級(jí)尺寸下仍保持低寄生電阻，突破高頻器件的微縮極限。

2. 普適性創(chuàng)新：該技術(shù)可擴(kuò)展至其他寬禁帶半導(dǎo)體(如SiC、Ga2O3)的歐姆接觸優(yōu)化，為其他材料器件領(lǐng)域的接觸電阻優(yōu)化提供通用解決方案。

在Ti/n-GaN界面引入GaON層的作用

四、未來(lái)展望：材料創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)器件性能升級(jí)

對(duì)于氮氧化鎵材料應(yīng)用的深入研究，不僅解決了傳統(tǒng)GaN器件在界面態(tài)和高頻性能上的瓶頸，還為紫外光電、功率電子和太赫茲通信等領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題提供了全新解決方案。隨著制備工藝的成熟和成本下降，這類材料有望助力新一代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。