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Nature Communications发布：快速退火炉助力实现原子限域插层，构筑高阈值氮化镓器件
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- 来源：本站
- 发布时间：2026-07-27
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【概要描述】摘要在2026年发表于《Nature Communications》的一项研究中，北京纳米···
Nature Communications发布：快速退火炉助力实现原子限域插层，构筑高阈值氮化镓器件
【概要描述】摘要在2026年发表于《Nature Communications》的一项研究中，北京纳米···
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摘要
在2026年发表于《Nature Communications》的一项研究中，北京纳米能源与系统研究所团队提出了一种名为“原子限域插入（Atomically Confined Insertion,ACI）”的创新技术，成功将p-GaN栅极高电子迁移率晶体管（HEMT）的阈值电压从1.5V提升至4.3V，并突破了长期存在的性能权衡困境。在这一突破性成果中，团队用嘉仪通科技（JouleYacht）的RTP-3S01快速退火炉完成了多次热处理工艺。
研究背景
产业痛点：商用p-GaN HEMT受限于Mg掺杂激活效率仅1%，阈值低于2V，恶劣工况易误开启，限制车载、快充、射频等场景应用。
现有方案缺陷：传统阈值调控工艺会牺牲输出电流与跨导；体相Mg插层易破坏AlGaN势垒与沟道二维电子气，无法用于精密异质器件。
热处理设备刚需：Mg原子可控嵌入依赖高精度气氛可调退火设备，传统管式炉温场、扩散控制能力不足；本研究采用RTP-3S01统一完成插层、器件欧姆接触、霍尔样品电极三类退火。
原文截取
核心创新
自终止原子限域插层工艺：仅在p-GaN栅内形成周期性Mg单原子层，Mg扩散至p-GaN/AlGaN界面自动停止，完整保护有源沟道，AlGaN高扩散势垒是天然阻挡层。
应变-极化协同提空穴浓度机理：RTP退火诱导晶格应变与极性反转，产生兆伏级局域电场，非热电离深能级受主，室温空穴浓度提升2倍；配套RTP制备的霍尔电极精准量化载流子提升规律。
高性能无折中高阈值器件：ACI-HEMT阈值达4.3V，饱和漏电流由86mA/mm升至113mA/mm，饱和区电流崩塌衰减率由32%降至26%，栅击穿、关态耐压同步改善。
兼容量产的简易工艺：标准产线仅增加Mg溅射、RTP退火、酸洗步骤，Mg薄膜可作自对准刻蚀掩模，全套热处理由RTP-3S01实现，产业化适配性强。
图一、ACI结构p-GaN HEMT微观结构表征
a：原始p-GaN/AlGaN/GaN截面TEM，选区电子衍射证实六方纤锌矿[0001]取向单晶；
b：ACI处理后截面TEM，p-GaN层内形成倒金字塔改性区；
c：界面放大TEM，插层在p-GaN/AlGaN界面自终止，势垒层完好；
d：HAADF-STEM，改性区类超晶格：亮层GaN、暗层富镁插层；
e：高倍HAADF，镁插层间隔5~8层GaN原子；
f：原子分辨iDPC-STEM，单镁间隙层原子模型（Ga粉、N蓝、Mg黄）；
g：HAADF配套Ga/N/MgEDS元素映射，确认镁层分布；
h：跨层EDS线扫，镁信号峰与暗带精准对应。比例尺：a/b/c=20nm；d=5nm；e=2nm；f/g=500pm。
图二、载流子增强机理与仿真验证
a：极化诱导掺杂机理示意图：镁夹层间 GaN 由 N 极性平缓过渡至 Ga 极性，应变 + 极性反转产生极化梯度、束缚电荷与强内电场，促进受主电离；
b：变温霍尔测试：ACI 样品空穴浓度更高、低温冻结效应更弱，插图为测试样品结构；
c：TCAD 零偏栅下导带曲线，p-GaN 空穴浓度越高，沟道 2DEG 势垒越高； d：对应转移特性仿真，空穴浓度提升带来阈值正向偏移；
e：提取阈值电压随 p-GaN 空穴浓度变化曲线。
图三、ACI-HEMT器件结构、工艺与直流电学特性
a:ACI-HEMT剖面示意图，p-GaN栅内置镁插层；
b:完整制备工艺流程；
c:常规C-HEMT转移曲线，Vth=1.5V（Id=1mA/mm，Vds=8V）；
d:ACI-HEMT转移曲线，Vth=4.3V；
e:漏极、栅漏电对数曲线，两类器件开关比均～10⁸，栅漏电相当；
f:C-HEMT输出特性；
g:ACI-HEMT输出特性，饱和电流更高；
h:多批次器件阈值箱线图，对比TCAD仿真区间，ACI器件阈值整体大幅抬升。
研究价值与展望
-ACI技术通过原子尺度应变+极化工程，从根本上提升了p-GaN的空穴导电性，为GaN功率器件提供了一条无需牺牲其他电学性能的Vth提升路径。
-该方法不仅适用于HEMT，也有望推广到 LED、激光器、垂直功率器件等III-氮化物器件。
-当前挑战：工艺引入的界面缺陷导致 导通电阻略升；自组装插层结构的均匀性有待提高，未来需实现更精确的形貌与分布控制。
JouleYacht-RTP-3S01快速退火炉核心作用
（一）ACI插层成型退火：680℃、10min、N₂气氛
精准红外控温均匀驱动Mg间隙扩散，氮气氛围隔绝氧化保障晶格质量；快速水冷降温锁定应变与极性反转结构，实现Mg扩散自终止，不损伤下层势垒。
原文引用RTP-3S01，JouleYacht
（二）器件源漏欧姆退火：850℃、30s、N₂气氛
短时高温促进金属与GaN形成低阻欧姆接触；快速升降温避免金属过度扩散破坏ACI栅层结构。
（三）霍尔样品电极退火：525℃、5min、O₂气氛
氧化低温退火优化Ni/Au与p-GaN界面，降低接触势垒，消除载流子测试误差；低温短时工艺不破坏薄膜原有微观结构。
RTP-3S01设备优势
气氛切换，一套设备兼容氮气、氧气多套退火工艺；
高精度恒温、可编程工艺窗口，多批次样品实验重复性高；
小型台式机型适配实验室各类小尺寸外延片、测试样片。
总结
从《Nature Communications》的这一突破性研究可以看出，RTP-3S01快速退火炉不仅是实现原子级结构调控的核心工艺设备，其精准的温控能力和灵活的工艺适配性也为半导体器件性能的持续突破提供了坚实的技术底座。随着GaN器件向更高频率、更高功率和更高集成度方向发展，快速退火设备在原子尺度工艺控制中的作用将愈发关键。
参考文献：Shi, Y., Dong, Z., Wang, J. et al. Atomically confined insertion for 2D strain and polarization engineered GaN electronics. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74233-3
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