相比于傳統(tǒng)的半導體材料硅，寬禁帶半導體GaN可在更高電壓、更高頻率、更高溫度下工作，在高效功率轉換，射頻功放以及極端環(huán)境電子應用方面具有優(yōu)異的材料優(yōu)勢。但受自然氧化和工藝沾污等因素影響，GaN材料表面容易受到氧化亞鎵（Ga2O）及其它中間氧化態(tài)影響而失去原始新鮮表面的臺階流形貌，進而在GaN上誘導出高密度的界面態(tài)，導致GaN基功率器件的電流坍塌等可靠性問題。因此，研發(fā)適用于多元系GaN材料的表面處理方法以復現(xiàn)其本征的原子臺階，是實現(xiàn)低GaN/介質界面態(tài)密度的基礎。研究團隊此前嘗試了包括酸堿濕法腐蝕、等離子體處理等多種工藝清潔GaN表面，都難以實現(xiàn)GaN表面原子臺階的穩(wěn)定復現(xiàn)。 

　　研究團隊基于前期的研究結論（θ-Ga2O3與GaN間具有較低的界面態(tài)密度，ACS Appl. Mater. Interfaces，2021, 13, 6, 7725–7734），結合X射線光電子能譜和第一性原理分析，發(fā)現(xiàn)GaN表面的無定型態(tài)Ga2O是介質/GaN深能級界面態(tài)的主要來源。深入調研發(fā)現(xiàn)Ga2O只有在溫度高于500℃情況下才能有效的升華和裂解。據此，團隊基于自主研制的國內首臺“氮化鎵低界面態(tài)介質生長系統(tǒng)”，開發(fā)了工藝溫度高達500℃的原位遠程NH3/N2等離子體處理工藝（Remote Plasma Pretreatments, RPP），將GaN表面的Ga2O組分從22.40%降低到3.80%，實現(xiàn)了GaN表面原子臺階的穩(wěn)定重現(xiàn)。恒定電容型深能級瞬態(tài)譜分析確認，Al2O3/GaN界面能級范圍大于EC-E>0.4 eV的深能級界面態(tài)得到了顯著抑制，與第一性原理計算結果相一致。團隊將高溫RPP表面修飾技術應用于GaN基功率器件鈍化介質沉積之前的表面處理，顯著改善了器件的電流坍塌。 

　　      該成果以“Effective Suppression of Amorphous Ga2O and Related Deep Levels on the GaN Surface by High-Temperature Remote Plasma Pretreatments in GaN-Based Metal？Insulator？Semiconductor Electronic Devices”為題發(fā)表在[ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 15, no. 20, pp. 25058–25065, May 2023]期刊（doi: 10.1021/acsami.3c03094）。王鑫華研究員、黃森研究員為論文共同通訊作者，鄧可心博士為論文第一作者。研究得到了國家自然科學基金重大儀器/面上項目、國家重點研發(fā)計劃、裘搓基金重點項目、北京市科委和中科院前沿科學重點研究等項目資助。  

　　《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊服務于化學家、工程師、物理學家和生物學家的跨學科團體，專注于如何開發(fā)和使用新發(fā)現(xiàn)的材料和界面工藝以用于特定應用。 

　　相關論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c03094