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據(jù)報道， 近期，中國科學(xué)院微電子研究所研究員劉新宇團隊及合作者（中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所王先平課題組、微電子所先導(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 ， SiO 2 ， AlN 等）將器件界面態(tài)降低到 10 11 - 10 12 cm - 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 10 13 cm - 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 Si 2 N 2 O 分量，并基于 Si 2 N 2 O/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 Si 2 N 2 O 分量中電子平均自由程比無定形介質(zhì)分量自由程長，且 Si 2 N 2 O 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) Si 2 N 2 O ，其與 GaN 和 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?/span>

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)計劃等的資助。

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）