近日，微電子所高頻高壓中心GaN功率電子器件研發(fā)團隊聯(lián)合香港科技大學(xué)、北京大學(xué)和西安電子科技大學(xué)在應(yīng)用物理領(lǐng)域國際權(quán)威期刊Applied Physics Reviews上發(fā)表了綜述文章《III族氮化物異質(zhì)結(jié)金屬-絕緣體-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管的閾值電壓不穩(wěn)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(tài)和體缺陷表征方法，揭示了GaN基異質(zhì)結(jié)功率器件閾值電壓不穩(wěn)定的物理機制，針對基于Al₂O₃和SiN_x兩種常見柵/鈍化介質(zhì)的GaN基MIS-HEMT的動態(tài)不穩(wěn)定性問題，研發(fā)了有效抑制表界面態(tài)和介質(zhì)缺陷態(tài)的創(chuàng)新工藝，推動了下一代高可靠GaN基絕緣柵功率器件的研發(fā)進程。

與Si等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）或金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）柵極結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換、射頻功放以及極端環(huán)境電子方面具有廣闊的應(yīng)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(dǎo)出高密度的表面態(tài)，導(dǎo)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(jié)構(gòu)功率器件中，柵介質(zhì)和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中也存在大量的體缺陷，這些缺陷態(tài)尤其是柵介質(zhì)缺陷態(tài)一旦被填充很難釋放，從而導(dǎo)致更加嚴重的閾值電壓不穩(wěn)定性問題。

基于第一性原理和表面物理化學(xué)分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)GaN的淺能級界面態(tài)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(tài)主要與表面無定型的Ga₂O化學(xué)態(tài)相關(guān)，其裂解溫度在450 ℃以上。研究團隊據(jù)此創(chuàng)新提出“高溫遠程等離子體處理（Remote Plasma Pretreatment, RPP）方法，實現(xiàn)了不同表面狀況的GaN表面原子臺階的穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)?！案邷豏PP”新方法將以Al₂O₃為代表的氧化物/GaN和以SiN_x為代表的氮化物/GaN的深能級界面態(tài)密度降低了至少1個量級，其中SiN_x/GaN界面態(tài)密度在30 meV-0.9 eV寬幅能級范圍內(nèi)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(tài)/體缺陷的表征問題，研究團隊創(chuàng)新發(fā)展了“等溫俘獲（Isothermal）”和“恒定電容（Constant-Capacitance）”等多種模式深能級瞬態(tài)譜（Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS）快速表征方法，實現(xiàn)了metal/insulator/AlGaN/GaN“多異質(zhì)界面” 異質(zhì)結(jié)功率器件中體缺陷與界面態(tài)的有效分離，揭示了GaN基 MIS-HEMT功率器件動態(tài)導(dǎo)通電阻退化、閾值電壓不穩(wěn)定性與界面/介質(zhì)工藝的關(guān)聯(lián)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(fā)表于美國應(yīng)用物理學(xué)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(xué)沈波教授，香港科技大學(xué)陳敬教授和西安電子科技大學(xué)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(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院-香港裘搓基金重點項目、中國科學(xué)院青促會優(yōu)秀會員和中國科學(xué)院微電子所-香港科技大學(xué)聯(lián)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(guān)于物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)領(lǐng)域最新研究的綜述和評述文章，其發(fā)表的綜述論文一般僅限于受邀的權(quán)威學(xué)者，極少數(shù)高水平論文能夠通過自薦形式發(fā)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(chǔ)性。

????相關(guān)論文連接：https://doi.org/10.1063/5.0179376

“多異質(zhì)界面”GaN基MIS-HEMT器件中界面態(tài)和體缺陷導(dǎo)致的閾值電壓不穩(wěn)定性能帶示意圖