增強型氮化鎵MIS-HEMT是目前尚未成功商用化的技術路線。GaN與介質的界面態(tài)問題是制約器件可靠性的主要因素之一。前期研究發(fā)現，LPCVD-SiNx具有高溫耐受性、成膜質量高、結構致密、無離子損傷、高TDDB特性等優(yōu)勢，有望用于高可靠MIS-HEMT的柵介質和鈍化材料。然而，傳統(tǒng)LPCVD-SiNx的生長溫度較高，可能導致材料表面熱分解和熱反應，尤其是刻蝕表面。同時，高溫工藝（例如，800℃以上歐姆合金）會導致鈍化位的氫鍵被破壞，使介質界面發(fā)生一定程度的退化，引起鍵長鍵角隨機變化的無序粗糙晶化區(qū)域和梯度變化的無定形區(qū)域產生，導致器件出現不可控制的頻率色散和滯回現象。要避免上述不利因素，制備的健壯界面需具有原子級平整特性和最小退變的長程有序晶體區(qū)域。

 

另一方面，由于寬帶隙半導體中缺陷電子捕獲截面分布范圍較寬，超淺能級和深能級界面態(tài)都可能影響器件的頻率色散和電流崩塌。因此，在更寬能量范圍內評估界面態(tài)變得非常有意義。恒定電容深能級瞬態(tài)傅里葉光譜技術可實現10~400K溫度范圍內的測試，為上述需求提供了有效的表征解決方案。但多層材料中界面態(tài)和離散能級缺陷的檢測密度通常被耦合，使介質/III-N界面的缺陷分析更加復雜，需要利用界面態(tài)分布函數分離界面態(tài)和離散缺陷能級。雖然基于DIGS理論的U型模型適合連續(xù)能級的界面態(tài)分布，但在較寬的能量范圍上仍然有一些限制。

 

該研究工作證明了低熱預算工藝是實現高質量界面的有效手段之一，包括：LPCVD-SiNx生長溫度從常規(guī)780℃降低到650℃，歐姆合金溫度從850℃降低到780℃。工作難點在于降低溫度窗口且保證高質量薄膜和歐姆接觸。最終在LPCVD-SiNx和GaN之間實現2.5-5埃米原子級平整界面，界面態(tài)密度在ET=30 meV下約1.5×1013 cm-2eV-1，ET=1 eV下約4×1011~1.2×1012 cm-2eV-1水平。團隊創(chuàng)新性提出了適用于較寬能量范圍的基于物理參數的界面態(tài)U型分布函數，實現了多層材料中離散能級與界面態(tài)的有效分離。該成果以Suppression and characterization of interface states at low-pressure-chemical-vapor-deposited SiNx/III-nitride heterostructures為題發(fā)表在Applied Surface Science上。

 

該工作得到了國家自然科學基金重大儀器項目、重點項目、面上項目和中科院前沿重點項目等資助。

原子級平整界面、先進水平界面態(tài)密度及U型分布函數