近日，微電子所高頻高壓中心GaN功率電子器件研發團隊聯合香港科技大學、北京大學和西安電子科技大學在應用物理領域國際權威期刊Applied Physics Reviews上發表了綜述文章《III族氮化物異質結金屬-絕緣體-半導體高電子遷移率晶體管的閾值電壓不穩定性研究：表征方法與界面工程》（Threshold voltage instability in III-nitride heterostructure metal–insulator–semiconductor high-electron-mobility transistors: Characterization and interface engineering）。該工作采用先進的界面態和體缺陷表征方法，揭示了GaN基異質結功率器件閾值電壓不穩定的物理機制，針對基于Al2O3和SiNx兩種常見柵/鈍化介質的GaN基MIS-HEMT的動態不穩定性問題，研發了有效抑制表界面態和介質缺陷態的創新工藝，推動了下一代高可靠GaN基絕緣柵功率器件的研發進程。
與Si等傳統半導體材料相比，基于金屬-絕緣體-半導體（MIS）或金屬-氧化物-半導體（MOS）柵極結構的GaN基MIS/MOS-HEMT功率器件能夠在更高電壓、更高頻率以及更高的溫度下工作，在高效功率轉換、射頻功放以及極端環境電子方面具有廣闊的應用前景。但由于自然氧化和工藝沾污等因素，GaN材料表面容易失去原始新鮮表面的臺階流形貌，從而在GaN上誘導出高密度的表面態，導致GaN基功率器件的電流坍塌等可靠性問題。另一方面，在MIS/MOS結構功率器件中，柵介質和AlGaN/GaN異質結構中也存在大量的體缺陷，這些缺陷態尤其是柵介質缺陷態一旦被填充很難釋放，從而導致更加嚴重的閾值電壓不穩定性問題。
基于第一性原理和表面物理化學分析，研究團隊發現GaN的淺能級界面態主要起源于Ga懸掛鍵與其界面附近原子之間的強相互作用（ACS AMI, 10, 21721, 2018 & 13, 7725, 2021），而深能級界面態主要與表面無定型的Ga2O化學態相關，其裂解溫度在450 ℃以上。研究團隊據此創新提出“高溫遠程等離子體處理（Remote Plasma Pretreatment, RPP）方法，實現了不同表面狀況的GaN表面原子臺階的穩定復現。“高溫RPP”新方法將以Al2O3為代表的氧化物/GaN和以SiNx為代表的氮化物/GaN的深能級界面態密度降低了至少1個量級，其中SiNx/GaN界面態密度在30 meV-0.9 eV寬幅能級范圍內最小值1.5×1010 eV-1cm-2，接近Si基MOS器件的最佳水平。針對GaN基MIS-HEMT器件柵極界面態/體缺陷的表征問題，研究團隊創新發展了“等溫俘獲（Isothermal）”和“恒定電容（Constant-Capacitance）”等多種模式深能級瞬態譜（Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS）快速表征方法，實現了metal/insulator/AlGaN/GaN“多異質界面” 異質結功率器件中體缺陷與界面態的有效分離，揭示了GaN基 MIS-HEMT功率器件動態導通電阻退化、閾值電壓不穩定性與界面/介質工藝的關聯機制，為下一代高可靠GaN基絕緣柵功率器件的加固提供了重要的物理反饋。
該工作以綜述論文“REVIEW ARTICLE”發表于美國應用物理學會的代表性期刊Applied Physics Reviews，并被遴選為“Featured Article”（doi: 10.1063/5.0179376）。微電子所劉新宇研究員，北京大學沈波教授，香港科技大學陳敬教授和西安電子科技大學郝躍院士為論文的共同通訊作者。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、中國科學院-香港裘搓基金重點項目、中國科學院青促會優秀會員和中國科學院微電子所-香港科技大學聯合微電子實驗室等項目的大力支持。
Applied Physics Reviews期刊旨在提供關于物理學和應用物理學領域最新研究的綜述和評述文章，其發表的綜述論文一般僅限于受邀的權威學者，極少數高水平論文能夠通過自薦形式發表。本論文以自薦形式投遞并最終獲得認可接收，反映了研究工作的重要性和基礎性。
????相關論文連接：https://doi.org/10.1063/5.0179376
“多異質界面”GaN基MIS-HEMT器件中界面態和體缺陷導致的閾值電壓不穩定性能帶示意圖
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