來源：中國科學院半導體研究所

一、氮氧化鎵材料基本性質：可調寬禁帶與多功能特性

氮氧化鎵(Gallium Oxynitride，GaOxNy)是一種介于晶態與非晶態之間的化合物。其物化性質可通過調控制備條件在氮化鎵(GaN)與氧化鎵(Ga2O3)之間連續調整，兼具寬禁帶半導體特性與靈活的功能可設計性，因此在功率電子、紫外光電器件及光電催化等領域展現出獨特優勢。

晶體結構多樣性：GaON的晶體結構包括非晶態、β相(Ga2ON3)、γ相(Ga3O3N)及六方GaOxN1-x等，結構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，可通過調節氧氮比實現帶隙精確調控。

界面優化特性：GaON與GaN晶格匹配度高，可作為異質結中間層，抑制金屬誘導間隙態(MIGS)和界面懸鍵態，提升器件界面質量。

選擇性氧化工藝：基于GaN較InAlN更易氧化的熱力學特性，可在不損傷InAlN勢壘層的前提下，通過氧化反應精準制備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，通過調控N2/O2等離子體比例實現組分控制，結合真空退火優化晶體結構，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GaN表面進行高溫退火，直接生成GaON層，工藝簡單且兼容現有器件工藝。

氧氣氛圍退火形成GaON的制備方法

三、核心應用：從電力/射頻電子到紫外光電

電力電子器件領域：

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的價帶帶階差(~ 0.5 eV)阻擋空穴反向注入，使漏電流降低兩個數量級，同時保持低導通電阻(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(如金屬誘導間隙態，MIGS)是制約高頻性能的關鍵瓶頸。傳統解決方案常通過復雜外延結構或昂貴襯底(如碳化硅)優化界面質量，但存在工藝成本高、可擴展性受限等問題。中國科學院半導體所張韻團隊基于GaON材料的創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特優勢：

通過等離子體氧化技術(OPT)，在GaN/InAlN異質結的柵下區域精準氧化2 nm厚GaN帽層，生成GaON插入層。該工藝巧妙利用GaN較InAlN更易氧化的熱力學特性，在不損傷InAlN勢壘層的前提下，實現界面態的主動調控。這一技術突破避免了傳統刻蝕或外延工藝對極化電荷的破壞，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數量級，電子有效漂移速率提升至2.2×107 cm/s(傳統器件約1.5×107 cm/s)。器件截止頻率(fT)和最高振蕩頻率(fmax)分別達到240 GHz與530 GHz，與碳化硅襯底器件性能相當，首次在低成本藍寶石襯底上實現Ka波段噪聲系數低于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高頻器件的限制，為大規模商業化提供了可能。

3. 工藝兼容性與微縮潛力：

相比需要復雜外延堆疊的AlN/GaN超晶格界面優化方案，GaON插入層工藝僅需局部氧化改性，與現有GaN HEMT產線高度兼容。此外，GaON層對界面態的鈍化作用顯著降低了短溝道效應，使器件在微縮至亞100 nm柵長時得到優異頻率特性，為5G/6G通信和太赫茲技術提供了可擴展的技術路徑。

意義總結：重新定義GaN HEMT的性能邊界

GaON材料的引入不僅解決了傳統界面優化技術中“性能-成本-工藝”難以兼得的矛盾，更通過以下創新點推動了GaN HEMT技術的跨越式發展：

1. 低成本襯底高性能化：在藍寶石襯底上實現與碳化硅器件相當的射頻指標，大幅降低商用化門檻。

2. 界面態主動調控：通過選擇性氧化實現納米級界面工程，避免外延工藝對極化電荷的破壞。

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

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，顯著提升光電化學水分解效率。

2. 紫外探測：在p-GaN探測器電極界面引入GaON層，利用其價帶帶階差阻擋空穴復合，暗電流降低至10?12 A量級，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：在紫外光電探測器中引入GaON層的作用。

界面接觸技術領域：

在GaN基器件中，金屬-半導體歐姆接觸的界面態(如金屬誘導界面態和懸鍵態)會導致嚴重的費米能級釘扎效應，使接觸電阻率(ρc)長期停滯在10?7Ω·cm2量級，成為器件微縮化與高頻化的主要障礙。

GaON插入層的創新性解決方案

中國科學院半導體所張韻團隊通過表面退火工藝在Ti/n-GaN界面引入2-3 nm厚GaON層，實現以下突破：

1. 界面態鈍化：GaON層有效鈍化界面缺陷，緩解費米能級釘扎，使接觸勢壘高度從0.42 eV降至0.24 eV。

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

3. 工藝兼容性：僅需在標準退火流程中引入氧摻雜步驟，無需復雜外延或圖形化工藝，與現有工藝無縫銜接。

核心意義：重新定義歐姆接觸的設計范式

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

2. 普適性創新：該技術可擴展至其他寬禁帶半導體(如SiC、Ga2O3)的歐姆接觸優化，為其他材料器件領域的接觸電阻優化提供通用解決方案。

在Ti/n-GaN界面引入GaON層的作用

四、未來展望：材料創新驅動器件性能升級

對于氮氧化鎵材料應用的深入研究，不僅解決了傳統GaN器件在界面態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域的關鍵問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體技術的發展。