近日，微電子所高頻高壓中心劉新宇研究員團隊與中科院合肥物質(zhì)科學(xué)院固體物理所合作在氮化鎵（GaN）表面態(tài)物理起源與抑制研究方面取得了重要進展，揭示了GaN表面天然氧化物中的無定型Ga2O是界面態(tài)的主要來源，創(chuàng)新研發(fā)出高溫（500℃）遠程等離子體表面修飾方法以有效去除該成分，成功恢復(fù)了GaN表面原子級臺階流形貌（超凈GaN表面的代表性特征），顯著抑制了介質(zhì)/GaN間的深能級界面態(tài)，改善了GaN基功率器件的電流崩塌。
相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料硅，寬禁帶半導(dǎo)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(zhuǎn)換，射頻功放以及極端環(huán)境電子應(yīng)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(dǎo)出高密度的界面態(tài)，導(dǎo)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(fù)現(xiàn)其本征的原子臺階，是實現(xiàn)低GaN/介質(zhì)界面態(tài)密度的基礎(chǔ)。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(fù)現(xiàn)。
研究團隊基于前期的研究結(jié)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(jié)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(zhì)/GaN深能級界面態(tài)的主要來源。深入調(diào)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(jù)此，團隊基于自主研制的國內(nèi)首臺“氮化鎵低界面態(tài)介質(zhì)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(jié)果相一致。團隊將高溫RPP表面修飾技術(shù)應(yīng)用于GaN基功率器件鈍化介質(zhì)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
《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊服務(wù)于化學(xué)家、工程師、物理學(xué)家和生物學(xué)家的跨學(xué)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(yīng)用。
相關(guān)論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c03094
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