高性能氮化鎵（GaN）金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管離不開具有低界面態(tài)和低漏電流的高質(zhì)量MOS結(jié)構(gòu)。然而，與SiO2/Si體系相比，氧化物/GaN較差的界面特性以及GaN表面缺乏高質(zhì)量、穩(wěn)定的本征氧化物，一直是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量GaN MOS晶體管的主要障礙。Al2O3因其優(yōu)異性能以及與GaN良好的導(dǎo)帶和價(jià)帶偏移而被視為一種替代選擇。
確保GaN MOS器件中高質(zhì)量絕緣體和Al2O3/GaN界面對于防止由電荷陷阱和固定電荷引起的性能退化至關(guān)重要。濕法刻蝕預(yù)處理和沉積后退火工藝常用于鈍化GaN表面，但其改善效果仍然有限。此外，諸如O2、N2、F、NH3和N2O等離子體處理也被研究用于增強(qiáng)Al2O3/GaN界面。然而，等離子體處理技術(shù)可能對GaN表面造成不可逆損傷。對于實(shí)現(xiàn)高性能GaN MOS器件，穩(wěn)定且低損傷的MOS界面增強(qiáng)技術(shù)仍是迫切需求。
本研究開發(fā)了一種可控且低損傷的GaN表面鈍化技術(shù)。我們采用氫化物氣相外延（HVPE）技術(shù)，成功生長了低位錯(cuò)密度（~1.5×106 cm-2）的單晶氮化鎵襯底及其外延層，這些材料被用于制造高質(zhì)量的垂直氮化鎵MOS電容器。通過引入硫鈍化和等離子體增強(qiáng)原子層沉積（PEALD）生長的高質(zhì)量GaOx中間層，所制備的高性能Al2O3/GaN MOS電容器展現(xiàn)出低界面態(tài)密度（Dit）約8×1010 cm-2·eV-1，以及的低平帶電壓漂移（ΔVFB）約20 mV。此外，引入GaOx中間層能有效降低漏電流（在+10 V偏壓下，從約10-3 A/cm2降至約10-6 A/cm2）。
圖1.具有GaOx層的垂直GaN MOS電容（a）結(jié)構(gòu)示意圖及關(guān)鍵工藝，（b）器件的界面態(tài)密度參數(shù)提取。
圖2.（a）氮化鎵MOS電容正向J-V曲線，（b）和（c）氮化鎵MOS電容漏電機(jī)制擬合，（d）和（e）氮化鎵MOS漏電機(jī)制示意圖。
團(tuán)隊(duì)介紹
劉新科，深圳大學(xué)功率半導(dǎo)體器件及AI能源監(jiān)測工程技術(shù)研究所所長，材料學(xué)院、射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，英國物理學(xué)會(huì)會(huì)士(FInstP,2025)，英國皇家化學(xué)會(huì)士(FRSC,2024)，博士研究生導(dǎo)師。一直從事寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵材料與器件的研究工作，以第一作者/通訊作者在國際學(xué)術(shù)期刊Materials Today、Advanced Materials、IEEE EDL/TED等發(fā)表121篇SCI論文,在IEDM、ISPSD、IEEE EDL/TED、APL、JAP國際知名學(xué)術(shù)期刊/頂級(jí)會(huì)議發(fā)表文章共計(jì)28篇。主持國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金(青年和面上)、廣東省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目等重要科研項(xiàng)目。作為第一完成人或個(gè)人， 2021年度廣東省高校科技成果轉(zhuǎn)化總決賽銅獎(jiǎng)、2022年廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2022年中國電子學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2022年廣東省電子學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2023年深圳市青年科技獎(jiǎng)。
文章信息
Vertical Al2O3/GaN MOS capacitors with PEALD-GaOx interlayer passivation
Renqiang Zhu; Jinpei Lin; Hong Gu; Lixuan Chen; Bo Zhang; Hezhou Liu; Xinke Liu
Appl. Phys. Lett. 126, 081603 (2025)
https://doi.org/10.1063/5.0245266
來源：AIPP