微电子所在氮化镓界面态研究中取得创新性进展

近期，中国科学院微电子研究所副所长刘新宇研究员团队及合作者（中国科学院固体物理研究所王先平课题组、中国科学院微电子研究所先导中心工艺平台等）在氮化镓界面态起源研究方面取得创新性进展。

氮化镓界面态问题是III-N材料体系研究一直面临的核心问题，制约着器件的规模化和实用化。其中，深能级界面态很容易造成器件性能恶化，被研究者关注较多，目前已通过多种钝化方法（如SiN_x，SiO₂，AlN等）将器件界面态降低到10¹¹-10¹²cm^-2 eV^-1水平。但近导带区域的浅能级界面态通常保持在10¹³cm^-2 eV^-1以上水平。由于缺乏近导带区域界面态的捕获界面实验数据，一般用10^-14-10^-16 cm^-2的经典数据代表整个界面的捕获截面，导致捕获截面小于10^-16 cm^-2的界面态时间常数被大大低估，从而误判器件在低频（<1MHz）工作时电流崩塌的主要来源。另一方面，由于GaN近导带区域界面态的理论起源不清晰，缺乏自洽的实验数据和理论证明，很难提出一种全面的解决方案来制备高质量的介质与GaN界面结构。氮化、氧化、晶化或其他处理方式均被用于解决界面态问题，但其潜在的逻辑并不始终一致，因此有必要深入研究界面态及其理论起源。

针对上述关键问题，刘新宇研究员团队基于超低温的恒定电容深能级瞬态傅里叶谱表征了LPCVD-SiN_x/GaN界面态，在70K低温下探测到近导带能级ELP (EC - ET = 60 meV)具有1.5 ×10^-20 cm^-2的极小捕获界面。在国际上第一次通过高分辨透射电镜在LPCVD-SiN_x/GaN界面发现晶化的Si₂N₂O分量，并基于Si₂N₂O/GaN界面模型的第一性原理分析，证明了近导带界面态主要来源于镓悬挂键与其临近原子的强相互作用。由于晶化的Si₂N₂O分量中电子平均自由程比无定形介质分量自由程长，且Si₂N₂O与GaN的晶格失配非常小，使得近导带界面态的捕获界面非常小。该发现从新视角揭示了近导带界面态的理论起源，为解决界面态问题提供了深刻理论与实践依据。研究中同时发现了一种与GaN晶格周期匹配的晶体介质Si₂N₂O，其与GaN<11-20>和<1-100>方向高度匹配，有望在材料生长领域催生新的研究热点。

该工作以《探究LPCVD-SiN_x/GaN晶化界面的近导带界面态》为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》杂志上（DOI: 10.1021/acsami.8b04694），相关专利已获申请号。

该项研究得到国家自然科学基金重大仪器项目/重点项目/面上项目、中科院前沿重点项目/STS项目、重点研发计划等项目的资助。

《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊针对化学家、工程师、物理学家和生物学家等跨学科团体，专注于如何开发和将新发现的材料、界面工艺用于特定应用。

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