氮氧化镓材料的基本性质和制备方法

来源：中国科学院半导体研究所

一、氮氧化镓材料基本性质：可调宽禁带与多功能特性

氮氧化镓(Gallium Oxynitride，GaOxNy)是一种介于晶态与非晶态之间的化合物。其物化性质可通过调控制备条件在氮化镓(GaN)与氧化镓(Ga2O3)之间连续调整，兼具宽禁带半导体特性与灵活的功能可设计性，因此在功率电子、紫外光电器件及光电催化等领域展现出独特优势。

晶体结构多样性：GaON的晶体结构包括非晶态、β相(Ga2ON3)、γ相(Ga3O3N)及六方GaOxN1-x等，结构与性能高度依赖于合成工艺。

能带工程潜力：禁带宽度(Eg)介于GaN(3.4 eV)与Ga2O3(4.5–4.9 eV)之间，可通过调节氧氮比实现带隙精确调控。

界面优化特性：GaON与GaN晶格匹配度高，可作为异质结中间层，抑制金属诱导间隙态(MIGS)和界面悬键态，提升器件界面质量。

选择性氧化工艺：基于GaN较InAlN更易氧化的热力学特性，可在不损伤InAlN势垒层的前提下，通过氧化反应精准制备GaON功能层。

二、氮氧化镓材料制备方法

等离子体注入氧化：将氧等离子体注入GaN晶格，经退火使氧原子替代氮原子，形成六方GaOxNy纳米层。

氧等离子体注入(OPT)+退火形成六方GaOxNy的制备方法

射频磁控溅射氧化：以Ga2O3为靶材，通过调控N2/O2等离子体比例实现组分控制，结合真空退火优化晶体结构，如下方相图所示：

射频磁控溅射+真空退火形成六方GaOxNy的制备方法

高温退火：在含氧气氛中对GaN表面进行高温退火，直接生成GaON层，工艺简单且兼容现有器件工艺。

氧气氛围退火形成GaON的制备方法

三、核心应用：从电力/射频电子到紫外光电

电力电子器件领域：

在p-GaN肖特基二极管(SBD)的阴极金属层下方引入GaON纳米层，可提升反向击穿特性：利用GaON与GaN的价带带阶差(~ 0.5 eV)阻挡空穴反向注入，使漏电流降低两个数量级，同时保持低导通电阻(Ron)。

在p-GaN SBD的阴极下方引入GaON层的作用

射频电子器件领域：

在GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)中，栅极金属与沟道二维电子气(2DEG)间的界面态(如金属诱导间隙态，MIGS)是制约高频性能的关键瓶颈。传统解决方案常通过复杂外延结构或昂贵衬底(如碳化硅)优化界面质量，但存在工艺成本高、可扩展性受限等问题。中国科学院半导体所张韵团队基于GaON材料的创新性工艺为这一难题提供了全新路径：

1. 选择性氧化工艺的独特优势：

通过等离子体氧化技术(OPT)，在GaN/InAlN异质结的栅下区域精准氧化2 nm厚GaN帽层，生成GaON插入层。该工艺巧妙利用GaN较InAlN更易氧化的热力学特性，在不损伤InAlN势垒层的前提下，实现界面态的主动调控。这一技术突破避免了传统刻蚀或外延工艺对极化电荷的破坏，确保了2DEG的高密度与高迁移特性。

2. 高频性能的显著提升：

引入GaON层后，栅极漏电流降低一个数量级，电子有效漂移速率提升至2.2×107 cm/s(传统器件约1.5×107 cm/s)。器件截止频率(fT)和最高振荡频率(fmax)分别达到240 GHz与530 GHz，与碳化硅衬底器件性能相当，首次在低成本蓝宝石衬底上实现Ka波段噪声系数低于0.98 dB、W波段线性增益8 dB的超高频性能。这一成果突破了衬底材料对高频器件的限制，为大规模商业化提供了可能。

3. 工艺兼容性与微缩潜力：

相比需要复杂外延堆叠的AlN/GaN超晶格界面优化方案，GaON插入层工艺仅需局部氧化改性，与现有GaN HEMT产线高度兼容。此外，GaON层对界面态的钝化作用显著降低了短沟道效应，使器件在微缩至亚100 nm栅长时得到优异频率特性，为5G/6G通信和太赫兹技术提供了可扩展的技术路径。

意义总结：重新定义GaN HEMT的性能边界

GaON材料的引入不仅解决了传统界面优化技术中“性能-成本-工艺”难以兼得的矛盾，更通过以下创新点推动了GaN HEMT技术的跨越式发展：

1. 低成本衬底高性能化：在蓝宝石衬底上实现与碳化硅器件相当的射频指标，大幅降低商用化门槛。

2. 界面态主动调控：通过选择性氧化实现纳米级界面工程，避免外延工艺对极化电荷的破坏。

3. 高频-低噪-高功率均衡提升：突破传统技术中频率与噪声性能的此消彼长，为多功能集成器件奠定基础。

在高频GaN HEMT的栅极下方引入GaON层

器件的bench mark比较

光电器件领域：

1. 光电催化：在n-GaN表面沉积GaON层可钝化表面缺陷并提供更多催化活性位点，显著提升光电化学水分解效率。

2. 紫外探测：在p-GaN探测器电极界面引入GaON层，利用其价带带阶差阻挡空穴复合，暗电流降低至10−12 A量级，器件灵敏度提升3倍。

左：在光电催化水分解材料中引入GaON层的作用;右：在紫外光电探测器中引入GaON层的作用。

界面接触技术领域：

在GaN基器件中，金属-半导体欧姆接触的界面态(如金属诱导界面态和悬键态)会导致严重的费米能级钉扎效应，使接触电阻率(ρc)长期停滞在10−7Ω·cm2量级，成为器件微缩化与高频化的主要障碍。

GaON插入层的创新性解决方案

中国科学院半导体所张韵团队通过表面退火工艺在Ti/n-GaN界面引入2-3 nm厚GaON层，实现以下突破：

1. 界面态钝化：GaON层有效钝化界面缺陷，缓解费米能级钉扎，使接触势垒高度从0.42 eV降至0.24 eV。

2. 载流子隧穿增强：GaON与n-GaN导带对齐(ΔEC≈ 0)，有利于降低隧穿电阻。

3. 工艺兼容性：仅需在标准退火流程中引入氧掺杂步骤，无需复杂外延或图形化工艺，与现有工艺无缝衔接。

核心意义：重新定义欧姆接触的设计范式

1. 微缩化关键支撑：超低ρc能使GaN器件在纳米级尺寸下仍保持低寄生电阻，突破高频器件的微缩极限。

2. 普适性创新：该技术可扩展至其他宽禁带半导体(如SiC、Ga2O3)的欧姆接触优化，为其他材料器件领域的接触电阻优化提供通用解决方案。

在Ti/n-GaN界面引入GaON层的作用

四、未来展望：材料创新驱动器件性能升级

对于氮氧化镓材料应用的深入研究，不仅解决了传统GaN器件在界面态和高频性能上的瓶颈，还为紫外光电、功率电子和太赫兹通信等领域的关键问题提供了全新解决方案。随着制备工艺的成熟和成本下降，这类材料有望助力新一代半导体技术的发展。