近日,南方科技大學電子與電氣工程系助理教授化夢媛團隊通過原位兩步“氧化-重構”過程將GaN表面轉化為氮氧化鎵(GaON)外延納米層，克服了這一關鍵挑戰。這項工作以“Formation and Applications in Electronic Devices of Lattice-Aligned Gallium Oxynitride Nanolayer on Gallium Nitride”為題發表在Advanced Materials。

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

圖1 氮氧化鎵的形成過程

化夢媛團隊通過“等離子體氧化-高溫重構”工藝技術，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表面的化學惰性，從而深入GaN表面2至3納米。高溫退火控制了熱力學-動力學反應路徑，生成了具有纖鋅礦結構的亞穩態GaON。后續的材料表征發現實驗所得的GaON是由兩層不同氧組分的GaON構成的：上層GaON中的氧組分高于下層GaON中的氧組分。第一性原理計算揭示了氧原子在GaN中的分凝現象，解釋了實驗中觀察到的雙層亞穩態GaON。

圖2 氮氧化鎵在（a）功率器件、(b)電化學器件、和(c)光電器件中的應用

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密度，更加適合在實際器件中應用。本論文展示了GaON在兩種基本電學器件（肖特基二極管、p型晶體管）中的應用。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，實驗得到的GaON也有良好的均勻性，非常有希望實現大規模量產。

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

南科大為論文第一單位。化夢媛為通訊作者。南科大-港科大2020級聯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。該工作得到了國家自然基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深港澳科技項目的資金支持。計算資源由南方科技大學科學與工程計算中心提供。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208960

（來源：南方科技大學新聞網）