近日,微电子所高频高压中心GaN功率电子器件研发团队联合香港科技大学、北京大学和西安电子科技大学在应用物理领域国际权威期刊Applied Physics Reviews上发表了综述文章《III族氮化物异质结金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管的阈值电压不稳定性研究:表征方法与界面工程》(Threshold voltage instability in III-nitride heterostructure metal–insulator–semiconductor high-electron-mobility transistors: Characterization and interface engineering)。该工作采用先进的界面态和体缺陷表征方法,揭示了GaN基异质结功率器件阈值电压不稳定的物理机制,针对基于Al2O3和SiNx两种常见栅/钝化介质的GaN基MIS-HEMT的动态不稳定性问题,研发了有效抑制表界面态和介质缺陷态的创新工艺,推动了下一代高可靠GaN基绝缘栅功率器件的研发进程。

与Si等传统半导体材料相比,基于金属-绝缘体-半导体(MIS)或金属-氧化物-半导体(MOS)栅极结构的GaN基MIS/MOS-HEMT功率器件能够在更高电压、更高频率以及更高的温度下工作,在高效功率转换、射频功放以及极端环境电子方面具有广阔的应用前景。但由于自然氧化和工艺沾污等因素,GaN材料表面容易失去原始新鲜表面的台阶流形貌,从而在GaN上诱导出高密度的表面态,导致GaN基功率器件的电流坍塌等可靠性问题。另一方面,在MIS/MOS结构功率器件中,栅介质和AlGaN/GaN异质结构中也存在大量的体缺陷,这些缺陷态尤其是栅介质缺陷态一旦被填充很难释放,从而导致更加严重的阈值电压不稳定性问题。

基于第一性原理和表面物理化学分析,研究团队发现GaN的浅能级界面态主要起源于Ga悬挂键与其界面附近原子之间的强相互作用(ACS AMI, 10, 21721, 2018 & 13, 7725, 2021),而深能级界面态主要与表面无定型的Ga2O化学态相关,其裂解温度在450 ℃以上。研究团队据此创新提出“高温远程等离子体处理(Remote Plasma Pretreatment, RPP)方法,实现了不同表面状况的GaN表面原子台阶的稳定复现。“高温RPP”新方法将以Al2O3为代表的氧化物/GaN和以SiNx为代表的氮化物/GaN的深能级界面态密度降低了至少1个量级,其中SiNx/GaN界面态密度在30 meV-0.9 eV宽幅能级范围内最小值1.5×1010 eV-1cm-2,接近Si基MOS器件的最佳水平。针对GaN基MIS-HEMT器件栅极界面态/体缺陷的表征问题,研究团队创新发展了“等温俘获(Isothermal)”和“恒定电容(Constant-Capacitance)”等多种模式深能级瞬态谱(Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS)快速表征方法,实现了metal/insulator/AlGaN/GaN“多异质界面” 异质结功率器件中体缺陷与界面态的有效分离,揭示了GaN基 MIS-HEMT功率器件动态导通电阻退化、阈值电压不稳定性与界面/介质工艺的关联机制,为下一代高可靠GaN基绝缘栅功率器件的加固提供了重要的物理反馈。

该工作以综述论文“REVIEW ARTICLE”发表于美国应用物理学会的代表性期刊Applied Physics Reviews,并被遴选为“Featured Article”(doi: 10.1063/5.0179376)。微电子所刘新宇研究员,北京大学沈波教授,香港科技大学陈敬教授和西安电子科技大学郝跃院士为论文的共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、中国科学院-香港裘搓基金重点项目、中国科学院青促会优秀会员和中国科学院微电子所-香港科技大学联合微电子实验室等项目的大力支持。

Applied Physics Reviews期刊旨在提供关于物理学和应用物理学领域最新研究的综述和评述文章,其发表的综述论文一般仅限于受邀的权威学者,极少数高水平论文能够通过自荐形式发表。本论文以自荐形式投递并最终获得认可接收,反映了研究工作的重要性和基础性。

相关论文连接:https://doi.org/10.1063/5.0179376

“多异质界面”GaN基MIS-HEMT器件中界面态和体缺陷导致的阈值电压不稳定性能带示意图