中科院微电子所在氮化镓表面态物理起源与抑制方面取得进展

近日，中科院微电子所高频高压中心刘新宇研究员团队与中科院合肥物质科学院固体物理所合作在氮化镓（GaN）表面态物理起源与抑制研究方面取得了重要进展，揭示了GaN表面天然氧化物中的无定型Ga₂O是界面态的主要来源，创新研发出高温（500℃）远程等离子体表面修饰方法以有效去除该成分，成功恢复了GaN表面原子级台阶流形貌（超净GaN表面的代表性特征），显著抑制了介质/GaN间的深能级界面态，改善了GaN基功率器件的电流崩塌。 

相比于传统的半导体材料硅，宽禁带半导体GaN可在更高电压、更高频率、更高温度下工作，在高效功率转换，射频功放以及极端环境电子应用方面具有优异的材料优势。但受自然氧化和工艺沾污等因素影响，GaN材料表面容易受到氧化亚镓（Ga₂O）及其它中间氧化态影响而失去原始新鲜表面的台阶流形貌，进而在GaN上诱导出高密度的界面态，导致GaN基功率器件的电流坍塌等可靠性问题。因此，研发适用于多元系GaN材料的表面处理方法以复现其本征的原子台阶，是实现低GaN/介质界面态密度的基础。研究团队此前尝试了包括酸碱湿法腐蚀、等离子体处理等多种工艺清洁GaN表面，都难以实现GaN表面原子台阶的稳定复现。 

研究团队基于前期的研究结论（θ-Ga₂O₃与GaN间具有较低的界面态密度，ACS Appl. Mater. Interfaces，2021, 13, 6, 7725–7734），结合X射线光电子能谱和第一性原理分析，发现GaN表面的无定型态Ga₂O是介质/GaN深能级界面态的主要来源。深入调研发现Ga₂O只有在温度高于500℃情况下才能有效的升华和裂解。据此，团队基于自主研制的国内首台“氮化镓低界面态介质生长系统”，开发了工艺温度高达500℃的原位远程NH₃/N₂等离子体处理工艺（Remote Plasma Pretreatments, RPP），将GaN表面的Ga₂O组分从22.40%降低到3.80%，实现了GaN表面原子台阶的稳定重现。恒定电容型深能级瞬态谱分析确认，Al₂O₃/GaN界面能级范围大于E_C-E>0.4 eV的深能级界面态得到了显著抑制，与第一性原理计算结果相一致。团队将高温RPP表面修饰技术应用于GaN基功率器件钝化介质沉积之前的表面处理，显著改善了器件的电流坍塌。 

该成果以“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”为题发表在[ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 15, no. 20, pp. 25058–25065, May 2023]期刊（doi: 10.1021/acsami.3c03094）。王鑫华研究员、黄森研究员为论文共同通讯作者，邓可心博士为论文第一作者。研究得到了国家自然科学基金重大仪器/面上项目、国家重点研发计划、裘搓基金重点项目、北京市科委和中科院前沿科学重点研究等项目资助。  

《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊服务于化学家、工程师、物理学家和生物学家的跨学科团体，专注于如何开发和使用新发现的材料和界面工艺以用于特定应用。 

相关论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c03094 

常温和高温RPP处理的GaN表面台阶流形貌、表面组分变化、界面态计算与实测分布、器件电流崩塌对比