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【科技成果】苏州纳米所在GaN基功率器件界面控制研究中取得进展,高质量的介质与GaN界面结构制备研究进展

近期,中国科学院微电子研究所研究员刘新宇团队及合作者(中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所王先平课题组、微电子所先导中心工艺平台等)在氮化镓界面态起源研究方面取得创新性进展。

近期,中国科学院微电子研究所研究员刘新宇团队及合作者(中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所王先平课题组、微电子所先导中心工艺平台等)在氮化镓界面态起源研究方面取得创新性进展。

氮化镓基高电子迁移率晶体管具有高电流密度、高开关速度和低导通电阻等优点,受到人们的广泛关注,使得GaN基HEMT器件成为下一代功率器件强有力的竞争者。然而,GaN器件与传统Si基器件不同,很难通过热氧化的方法获得低界面态密度的绝缘介质层。因此,如何降低界面态密度已经成为GaN基器件研究和应用的挑战之一。

氮化镓界面态问题是III-N材料体系研究一直面临的核心问题,制约着器件的规模化和实用化。其中,深能级界面态很容易造成器件性能恶化,被研究者关注较多,目前已通过多种钝化方法(如SiNx,SiO2,AlN等)将器件界面态降低到1011-1012cm-2
eV-1水平。但近导带区域的浅能级界面态通常保持在1013cm-2
eV-1以上水平。由于缺乏近导带区域界面态的捕获界面实验数据,一般用10-14-10-16
cm-2的经典数据代表整个界面的捕获截面,导致捕获截面小于10-16
cm-2的界面态时间常数被大大低估,从而误判器件在低频工作时电流崩塌的主要来源。另一方面,由于GaN近导带区域界面态的理论起源不清晰,缺乏自洽的实验数据和理论证明,很难提出一种全面的解决方案来制备高质量的介质与GaN界面结构。氮化、氧化、晶化或其他处理方式均被用于解决界面态问题,但其潜在的逻辑并不始终一致,因此有必要深入研究界面态及其理论起源。

氮化镓界面态问题是III-N材料体系研究一直面临的核心问题,制约着器件的规模化和实用化。其中,深能级界面态很容易造成器件性能恶化,被研究者关注较多,目前已通过多种钝化方法(如SiNx,SiO2,AlN等)将器件界面态降低到1011-1012cm-2
eV-1水平。但近导带区域的浅能级界面态通常保持在1013cm-2
eV-1以上水平。由于缺乏近导带区域界面态的捕获界面实验数据,一般用10-14-10-16
cm-2的经典数据代表整个界面的捕获截面,导致捕获截面小于10-16
cm-2的界面态时间常数被大大低估,从而误判器件在低频(<1MHz)工作时电流崩塌的主要来源。另一方面,由于GaN近导带区域界面态的理论起源不清晰,缺乏自洽的实验数据和理论证明,很难提出一种全面的解决方案来制备高质量的介质与GaN界面结构。氮化、氧化、晶化或其他处理方式均被用于解决界面态问题,但其潜在的逻辑并不始终一致,因此有必要深入研究界面态及其理论起源。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台研究员张宝顺课题组一直致力于高压大功率GaN基电力电子器件的研究工作。目前,通过自主研发以及与香港科技大学教授陈敬课题组进行合作,利用LPCVD沉积栅介质层和表面钝化层技术,已经实现了低漏电、高耐压的GaN
基HEMT功率器件,相关结果发表在IEEE Transactions on Electron
Devices
和国际会议IEDM上。

针对上述关键问题,刘新宇团队基于超低温的恒定电容深能级瞬态傅里叶谱表征了LPCVD-SiNx/GaN界面态,在70K低温下探测到近导带能级ELP
(EC- ET = 60 meV)具有1.5 × 10-20
cm-2的极小捕获界面。在国际上第一次通过高分辨透射电镜在LPCVD-SiNx/GaN界面发现晶化的Si2N2O分量,并基于Si2N2O/GaN界面模型的第一性原理分析,证明了近导带界面态主要来源于镓悬挂键与其临近原子的强相互作用。由于晶化的Si2N2O分量中电子平均自由程比无定形介质分量自由程长,且Si2N2O与GaN的晶格失配非常小,使得近导带界面态的捕获界面非常小。该发现从新视角揭示了近导带界面态的理论起源,为解决界面态问题提供了深刻理论与实践依据。研究中同时发现了一种与GaN晶格周期匹配的晶体介质Si2N2O,其与GaN“11-20”和“1-100”方向高度匹配,有望在材料生长领域催生新的研究热点。

针对上述关键问题,刘新宇团队基于超低温的恒定电容深能级瞬态傅里叶谱表征了LPCVD-SiNx/GaN界面态,在70K低温下探测到近导带能级ELP(EC-ET=60
meV)具有1.5×10-20 cm-2的极小捕获界面。

为了进一步降低LPCVD-Si3N4与GaN的界面态密度,提高器件的性能。张宝顺课题组通过对传统LPCVD系统进行改造,在国科技成果 1科技成果,际上首次提出将原位等离子体处理与传统LPCVD沉积相结合来沉积介质层,实现在沉积Si3N4薄膜前的原位N2等离子体氮化处理,N2等离子体处理不仅可以补偿GaN表面的氮空位,还可以减少表面的自然氧化层,从而获得较低的LPCVD科技成果 2-Si3N4/GaN界面态密度,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压为科技成果 3VG-sweep
=24 V时,阈值回滞由原来的7.1 V下降到186
mV,器件的阈值稳定性得到明显提高,如图2所示。由于界面态的降低抑制了陷态对沟道中电子的捕获,因而改善了器件的动态特性,在600
V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.18倍(传统器件为200倍左右),如图3所示。器件综合性能处于国际前列,相关结果发表在最新的IEEE
Electron Device Letters
, 2017,38,236。

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