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EC-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