微電子所在氮化鎵界面態(tài)研究中取得創(chuàng)新性進展

  新聞資訊     |      ：2018-08-16
        界面態(tài)問題是III-N材料體系研究一直面臨的核心問題，制約著器件的規(guī)?；蛯嵱没?。其中，深能級界面態(tài)很容易造成器件性能惡化，被研究者關注較多，目前已通過多種鈍化方法（如SiNx，SiO2，AlN等）將器件界面態(tài)降低到1011-1012cm-2 eV-1水平。但近導帶區(qū)域的淺能級界面態(tài)通常保持在1013cm-2 eV-1以上水平。由于缺乏近導帶區(qū)域界面態(tài)的捕獲界面實驗數據，一般用10-14-10-16 cm-2的經典數據代表整個界面的捕獲截面，導致捕獲截面小于10-16 cm-2的界面態(tài)時間常數被大大低估，從而誤判器件在低頻（<1MHz）工作時電流崩塌的主要來源。另一方面，由于GaN近導帶區(qū)域界面態(tài)的理論起源不清晰，缺乏自洽的實驗數據和理論證明，很難提出一種全面的解決方案來制備高質量的介質與GaN界面結構。氮化、氧化、晶化或其他處理方式均被用于解決界面態(tài)問題，但其潛在的邏輯并不始終一致，因此有必要深入研究界面態(tài)及其理論起源。

　　針對上述關鍵問題，劉新宇研究員團隊基于超低溫的恒定電容深能級瞬態(tài)傅里葉譜表征了LPCVD-SiNx/GaN界面態(tài)，在70K低溫下探測到近導帶能級ELP (EC - ET = 60 meV)具有1.5 × 10-20 cm-2的極小捕獲界面。在國際上first次通過高分辨透射電鏡在LPCVD-SiNx/GaN界面發(fā)現(xiàn)晶化的Si2N2O分量，并基于Si2N2O/GaN界面模型的first性原理分析，證明了近導帶界面態(tài)主要來源于鎵懸掛鍵與其臨近原子的強相互作用。由于晶化的Si2N2O分量中電子平均自由程比無定形介質分量自由程長，且Si2N2O與GaN的晶格失配非常小，使得近導帶界面態(tài)的捕獲界面非常小。該發(fā)現(xiàn)從新視角揭示了近導帶界面態(tài)的理論起源，為解決界面態(tài)問題提供了深刻理論與實踐依據。研究中同時發(fā)現(xiàn)了一種與GaN晶格周期匹配的晶體介質Si2N2O，其與GaN<11-20>和<1-100>方向高度匹配，有望在材料生長領域催生新的研究熱點。

　　該工作以《探究LPCVD-SiNx/GaN晶化界面的近導帶界面態(tài)》為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》雜志上（DOI: 10.1021/acsami.8b04694），相關專利已獲申請?zhí)枴?/span>

　　該項研究得到國家自然科學基金重大儀器項目/重點項目/面上項目、中科院前沿重點項目/STS項目、重點研發(fā)計劃等項目的資助。

　　《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊針對化學家、工程師、物理學家和生物學家等跨學科團體，專注于如何開發(fā)和將新發(fā)現(xiàn)的材料、界面工藝用于特定應用。

　　相關論文連接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b04694