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氧化镍（NiO）是一种重要的p型宽禁带氧化物半导体，在GaN、Ga2O3等宽禁带功率器件中具有广阔应用前景。然而，p-NiO功函数高、费米能级钉扎强、空穴注入势垒大，导致低阻欧姆接触难以实现。深圳大学刘新科教授团队提出氧等离子体处理（OPT）与氧气快速退火（ORA）相结合的两步协同表面工程策略，在Ni/NiO欧姆接触上取得显著突破：比接触电阻率由2.55×10-3降至8.01×10-5Ω·cm2；将该工艺用于p-NiO/n-Ga2O3异质结二极管后，比导通电阻由5.28降至3.08 mΩ·cm2。机理研究表明，该策略通过向NiO表面层引入间隙氧、提高空穴浓度、缩窄界面耗尽区并增强载流子隧穿，同时降低界面态密度、缓解费米能级钉扎并降低表面势垒，从而显著改善欧姆接触性能。相关成果以“Two-step oxygen treatments for low-resistance ohmic contacts on p-NiO”为题发表于《Applied Physics Letters》129, 162101 (2026)。
研究背景
NiO具有制备工艺简单、p型掺杂浓度可控、迁移率较高等优势，是宽禁带功率器件中备受关注的p型氧化物半导体。在异质结功率器件制备过程中，金属/NiO接触质量直接影响器件的导通损耗和开关性能。然而，p-NiO功函数高达5.2 eV以上，与大多数金属接触时容易形成较大的空穴注入势垒；同时，NiO表面吸附污染物和界面非理想层会引入高密度界面态，增强费米能级钉扎效应。因此，仅靠直接沉积金属很难获得低阻欧姆接触。现有研究主要从四个方面改善金属/NiO欧姆接触：一是通过调整制备工艺和掺杂方式提高NiO薄膜的空穴浓度和电导率，缩窄界面耗尽区并增强载流子隧穿；二是从金属/半导体能带匹配角度选择高功函数金属（如Ni、Au）以降低空穴注入势垒；三是通过表面预处理去除吸附污染物并降低界面态密度；四是采用后退火促进表面重构，提高金属接触的均匀性和稳定性。然而，单一预处理或退火工艺对表面质量的改善往往有限，难以同时满足表面清洁、缺陷钝化和界面稳定等多重要求。针对这一难题，研究团队提出将氧等离子体处理与氧气快速退火协同结合，对NiO表面进行两步氧处理。
创新研究
本文采用氧等离子体处理（OPT）与氧气快速退火（ORA）相结合的两步氧处理策略，对p+-NiO表面进行协同改性，随后沉积Ni/Au形成欧姆接触；并将该工艺应用于p-NiO/n-Ga2O3异质结二极管，评估其对器件导通性能的影响。为阐明该策略的作用机制，研究结合UPS、XPS、原位Ar+溅射XPS、EPMA、AFM、第一性原理计算、CTLM和I-V测试，从界面化学状态、元素分布、表面形貌、能带结构及电学特性等方面进行系统分析，揭示了“间隙氧-空穴浓度-界面态-势垒-隧穿-接触电阻”的内在关联。
图1 (a) p-NiO/n-Ga2O3异质结表面OPT+ORA协同处理示意图；(b) 钉扎因子与CTLM测量结构示意图；(c) UPS校准的Au、Ti、Ni、Al功函数；(d) OPT+ORA处理前后钉扎因子S随金属功函数的变化；(e) 对照样品与OPT+ORA样品的界面态密度对比。
创新点一：两步氧协同构筑间隙氧缺陷工程，提升空穴浓度并缓解费米钉扎
研究通过UPS、XPS、原位Ar+溅射XPS、EPMA、AFM和第一性原理计算，系统分析了OPT+ORA对NiO表面化学状态、元素分布、表面形貌及能带结构的影响。UPS结果表明，处理后钉扎因子S由0.016提高至0.035，界面态密度由6.77×1014降至2.95×1014 cm-2·eV-1，降低56.4%，说明界面态减少、费米能级钉扎明显缓解。XPS结果显示，Ni3+/Ni2+比例由3.108提高至4.107，增幅32.1%；O-Ni2O3/O-NiO比例由0.998提高至1.159，增幅16.1%。由于Ni3+组分与间隙氧和镍空位相关，是NiO中空穴的重要来源，该比例升高表明间隙氧相关组分增加、空穴浓度提高。原位Ar+溅射XPS显示，NiO最外层O/Ni原子比由1.62逐渐降低并在40 s后稳定在约1.13，说明OPT+ORA使NiO最表面层出现明显的间隙氧富集。EPMA进一步表明，O原子含量由58.68%提高至60.11%，增加2.44%，而Ni计数基本不变，说明O/Ni比的提高主要来自间隙氧而非镍空位变化；间隙氧增加进一步提高了NiO的空穴浓度。AFM显示，RMS粗糙度由0.69 nm降至0.53 nm，表面更加平整，有利于金属/NiO形成均匀紧密接触并减少界面微空隙。第一性原理计算表明，间隙氧在NiO禁带中引入氧相关缺陷能级，并使费米能级移入价带，增强p型特征和载流子浓度，从而缩窄隧穿势垒宽度并提高空穴隧穿概率。上述结果说明，OPT+ORA通过间隙氧引入提高空穴浓度、降低界面态密度并改善表面形貌，协同缓解费米钉扎并提升p-NiO表面导电性。
图2 (a) 对照样品和(b) OPT+ORA样品的Ni 2p XPS谱及峰拟合；(c) 原位Ar+表面溅射测量示意图；(d) 对照样品和(e) OPT+ORA样品的O 1s XPS谱及峰拟合；(f) OPT+ORA样品O 1s峰面积占比及O/Ni原子比随Ar+溅射时间的变化。
图3 (a) 对照样品和(b) OPT+ORA样品的EPMA氧元素面分布；(c) EPMA点扫描获得的O、Ni原子百分比；(d) 对照样品和(e) OPT+ORA样品的AFM表面形貌；(f) RMS粗糙度统计对比。
图4 (a) 不含间隙氧和(b) 含间隙氧的NiO晶胞能带结构与态密度；(c) 基于热电子发射模型的Arrhenius曲线及提取的表面势垒高度；(d) OPT+ORA处理前后金属/NiO接触能带图。
创新点二：Ni/NiO欧姆接触电阻大幅降低，p-NiO/n-Ga2O3二极管导通性能显著提升
在机制研究基础上，研究团队采用CTLM测试不同间距下的总电阻，提取方块电阻和传输长度，并计算比接触电阻率。结果显示，未处理对照样品的ρc为2.55×10-3Ω·cm2，经OPT+ORA处理后降至8.01×10-5Ω·cm2，接触电阻显著降低。基于热电子发射模型构建Arrhenius曲线提取有效肖特基势垒高度，处理后有效SBH由0.15 eV降至0.08 eV。需要指出的是，对于p+-NiO接触层（NA=6×1019cm?3），特征能量E00约为43.9 meV，室温下kT≈25.9 meV，E00/kT≈1.70，说明Ni/NiO界面载流子输运处于热电子发射与热电子场发射的过渡区，而非纯粹热电子发射主导。因此，接触性能改善不仅来自热电子发射势垒降低，还来自TFE/FE隧穿分量的增强。将该两步氧处理工艺应用于p-NiO/n-Ga2O3异质结二极管后，器件正向I-V特性明显改善。在6 V正向偏压下，比导通电阻RON,sp由5.28降至3.08 mΩ·cm2。与p-SiC、p-GaN和p-diamond等成熟p型宽禁带半导体相比，当前p-NiO的ρc仍略高，但考虑到p-NiO欧姆接触研究尚处于早期探索阶段，该结果已展示出可观的优化潜力和进一步提升空间。
图5 (a) CTLM法提取比接触电阻率的线性拟合结果，插图为CTLM测试结构；(b) 对照样品与OPT+ORA样品p-NiO/n-Ga2O3异质结二极管的正向I-V特性；(c) 本工作p-NiO的ρc与p-SiC、p-GaN、p-diamond等典型p型宽禁带半导体的基准对比。
总结与展望
该工作提出并验证了一种将氧等离子体处理与氧气快速退火相结合的两步协同表面工程策略，用于实现p-NiO低阻欧姆接触。机理上，该工艺可向NiO表面层引入间隙氧，提高表面空穴浓度，缩窄界面耗尽区并增强载流子隧穿能力；同时降低界面态密度，缓解费米能级钉扎，降低表面势垒，并改善表面均匀性和稳定性。最终，Ni/NiO比接触电阻率由2.55×10-3降至8.01×10-5Ω·cm2，p-NiO/n-Ga2O3异质结二极管比导通电阻由5.28降至3.08 mΩ·cm2。该工作清晰建立了“两步氧处理-间隙氧/界面态调控-空穴浓度/势垒/隧穿-欧姆接触性能”的关联，为p-NiO在宽禁带功率器件中的实际应用提供了简单、有效的表面优化路径。
论文信息
Chunyan Chen, Huile Zhang, Yao Chen, Bo Wang, Renqiang Zhu, Amir Shahzad, Wenshan Han, Wanda Fang, Xiaohua Li, Xinke Liu. Two-step oxygen treatments for low-resistance ohmic contacts on p-NiO. Applied Physics Letters, 129, 162101 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0353082
深圳大学材料科学与工程学院、射频异质集成国家重点实验室、功率半导体器件及AI能源监测工程技术研究所为论文第一完成单位；合作单位包括香港科技大学。研究工作得到国家重点研发计划（2024YFE0205100）、深圳市科技计划（SGDX20240115101802004）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B0303000012）、深圳大学科研仪器研制项目（2024YQ003）及射频异质异构集成全国重点实验室独立科学研究计划（2025007）的联合支持。
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