近期，中國科學(xué)院微電子研究所副所長劉新宇研究員團隊及合作者（中國科學(xué)院固體物理研究所王先平課題組、中國科學(xué)院微電子研究所先導(dǎo)中心工藝平臺等）在氮化鎵界面態(tài)起源研究方面取得創(chuàng)新性進展。

氮化鎵界面態(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)模化和實用化。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(guān)注較多，目前已通過多種鈍化方法（如SiN_x，SiO₂，AlN等）將器件界面態(tài)降低到10¹¹-10¹²cm^-2 eV^-1水平。但近導(dǎo)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(dǎo)帶區(qū)域界面態(tài)的捕獲界面實驗數(shù)據(jù)，一般用10^-14-10^-16 cm^-2的經(jīng)典數(shù)據(jù)代表整個界面的捕獲截面，導(dǎo)致捕獲截面小于10^-16 cm^-2的界面態(tài)時間常數(shù)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(dǎo)帶區(qū)域界面態(tài)的理論起源不清晰，缺乏自洽的實驗數(shù)據(jù)和理論證明，很難提出一種全面的解決方案來制備高質(zhì)量的介質(zhì)與GaN界面結(jié)構(gòu)。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(guān)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-SiN_x/GaN界面態(tài)，在70K低溫下探測到近導(dǎo)帶能級ELP (EC - ET = 60 meV)具有1.5 ×10^-20 cm^-2的極小捕獲界面。在國際上第一次通過高分辨透射電鏡在LPCVD-SiN_x/GaN界面發(fā)現(xiàn)晶化的Si₂N₂O分量，并基于Si₂N₂O/GaN界面模型的第一性原理分析，證明了近導(dǎo)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(zhì)分量自由程長，且Si₂N₂O與GaN的晶格失配非常小，使得近導(dǎo)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(dǎo)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(jù)。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(zhì)Si₂N₂O，其與GaN<11-20>和<1-100>方向高度匹配，有望在材料生長領(lǐng)域催生新的研究熱點。

該工作以《探究LPCVD-SiN_x/GaN晶化界面的近導(dǎo)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(guān)專利已獲申請?zhí)枴?/p>

該項研究得到國家自然科學(xué)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(xué)家、工程師、物理學(xué)家和生物學(xué)家等跨學(xué)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(yīng)用。

圖1、LPCVD-SiN_x/GaN界面HRTEM圖像（中）、Ga_Si模型（左）及第一性原理DOS分布（右）