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【材料】与氮化镓晶格匹配的氮氧化镓纳米层的形成机理及应用

时间：2023-02-03 来源： 浏览：

【材料】与氮化镓晶格匹配的氮氧化镓纳米层的形成机理及应用

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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，如何更好地保护GaN材料脆弱的表面是一个重要的问题。近日， 南方科技大学 的 化梦媛 团队 在GaN器件平台上通过“等离子体氧化-高温重构”过程，制备了可以有效保护GaN表面的氮氧化镓（GaON）材料。
近年来，在功率、射频等应用中，随着传统半导体Si逐渐逼近其理论极限，以GaN为代表之一的第三代半导体越来越多地被应用在实际生活中，如电子设备快充、数据中心不间断电源、雷达等。然而，在工作过程中，GaN的表面态的充放电会导致器件工作中的不稳定性。同时，实际工作中的电场也倾向于聚集在GaN器件的表面，被电场加速的热载流子会轰击表面，造成器件性能的退化。目前，保护GaN表面的主要方法是在GaN表面生长氧化物等介质材料。这种异质生长的材料跟GaN表面有大量的界面态，并且对于GaN表面的洁净度有很高的要求。

图1. 氮氧化镓的形成过程
南方科技大学化梦媛团队制备的与GaN晶格匹配的GaON纳米层很好地解决了上述问题。该团队通过“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。
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。

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
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。
这一成果近期发表在 Advanced Materials 上，文章的共同第一作者是南科大-港科大联合培养博士生 陈俊廷 和南科大电子与电气工程系研究助理教授 赵骏磊 。南科大电子与电气工程系助理教授 化梦媛 为通讯作者。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Formation and Applications in Electronic Devices of Lattice-Aligned Gallium Oxynitride Nanolayer on Gallium Nitride
Junting Chen, Junlei Zhao, Sirui Feng, Li Zhang, Yan Cheng, Hang Liao, Zheyang Zheng, Xiaolong Chen, Zhen Gao, Kevin J. Chen, Mengyuan Hua
Adv. Mater. , 2023 , DOI: 10.1002/adma.202208960
导师介绍
化梦媛
https://www.x-mol.com/university/faculty/242378
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