浅谈氮化镓晶格匹配的GaON纳米层的形成机理

近日,南方科技大学电子与电气工程系助理教授化梦媛团队通过原位两步“氧化-重构”过程将GaN表面转化为氮氧化镓(GaON)外延纳米层，克服了这一关键挑战。这项工作以“Formation and Applications in Electronic Devices of Lattice-Aligned Gallium Oxynitride Nanolayer on Gallium Nitride”为题发表在Advanced Materials。

氮化镓（GaN）是极具潜力的第三代半导体，广泛应用于功率器件、射频器件及光电器件。然而GaN材料表面的脆弱性是阻碍GaN基器件发展的关键限制，特别是在器件稳定性和可靠性方面。

图1 氮氧化镓的形成过程 化梦媛团队通过“等离子体氧化-高温重构”工艺技术，在GaN表面生成了一层GaON纳米层（图1）。等离子体氧化可以帮助氧原子克服GaN表面的化学惰性，从而深入GaN表面2至3纳米。高温退火控制了热力学-动力学反应路径，生成了具有纤锌矿结构的亚稳态GaON。后续的材料表征发现实验所得的GaON是由两层不同氧组分的GaON构成的：上层GaON中的氧组分高于下层GaON中的氧组分。第一性原理计算揭示了氧原子在GaN中的分凝现象，解释了实验中观察到的双层亚稳态GaON。

图2 氮氧化镓在（a）功率器件、(b)电化学器件、和(c)光电器件中的应用 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，从而有较少的界面态密度，更加适合在实际器件中应用。本论文展示了GaON在两种基本电学器件（肖特基二极管、p型晶体管）中的应用。GaON可以有效降低GaN肖特基二极管的反向漏电，提升GaN p型晶体管的栅极控制能力。同时，实验得到的GaON也有良好的均匀性，非常有希望实现大规模量产。 基于GaON的材料特性和其与GaN器件平台的兼容性，本论文展望了GaON在功率器件、电化学器件、和光电器件中的应用（图2），为未来研究 GaON 纳米层作在不同领域的应用提出了可能的方向。 南科大为论文第一单位。化梦媛为通讯作者。南科大-港科大2020级联培博士生陈俊廷和南科大电子与电气工程系研究助理教授赵骏磊为共同第一作者。该工作得到了国家自然基金、广东省基础与应用基础研究基金、深港澳科技项目的资金支持。 编辑:黄飞

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