利用真空互联技术综合研究金属/GaN界面本征性质

The properties of metal/semiconductor contacts are critical to the performance of GaN-based materials and devices. Leaking current and poorohmic contacts are two key-issues at the metal/GaN interfaces, making it impossible to further improve the performances of GaN-baseddevices, such as, laser diodes and HEMT devices, etc. Most of the current researches only focused on material selection or processing optimization to improve the metal/GaN contact properties and device performance, but did not explore the root causes, or the fundamental physics and chemistry during the interface formation. The reason is probably due to the limitation of experimental or processing conditions. It is normally unavoidableto have oxidation or contaminations on GaN surfaces or at metal/GaN interfaces, which make it very difficult to study the intrinsic properties of GaN surface and metal/GaN interface. This proposal is going to study the intrinsic properties of atomic clean GaN surfaces and metal/GaN interfaces, such as, atomic structure, morphology, electronic structure, energy band bending and Fermi level alignment, by using a newly developed vacuum-interconnected research facility that integrates the material growth and device processing tools, as well asanalytical and characterization instruments under an ultra-high vacuum environment.Therefore, it is possible to prevent contaminations on the sample surfaces from atmosphere. Based on the intrinsic properties at the metal/GaN interfaces, new methods for interfacial control and regulation could be developed to solve the critical metal/semiconductor related issues that is leading to large leaking current, high ohmic contact resistance, and unreliable metal/semiconductor contacts.

金属/半导体接触的表面、界面性质对以GaN为主的第三代宽禁带半导体材料和器件性能的影响至关重要。阻碍GaN-基光电器件和大功率高速电子器件性能进一步提高的欧姆接触和栅极漏电流等问题都与其密切相关。目前的大多数研究工作，主要是通过选择不同材料、不同工艺条件等手段试图解决这些问题，还没有从根本上研究金属/GaN接触的物理和化学性质，也就很难获得重大突破。其主要原因是由于实验或工艺条件的限制，材料表面、界面的氧化、沾污、与损伤无法完全避免，导致金属/半导体界面性质复杂化。本项目利用真空互联技术，将材料生长设备与多种测试分析设备置于同一超高真空环境下，可完全避免大气环境对材料表面/界面的影响，在原子级清洁的表面/界面上综合研究金属/GaN的本征界面性质与电子能带结构。深入理解表面态/界面态的物理起源与影响，寻求各种关键问题之间的内在联系，探索新的界面调控方法，促进器件性能获得重大突破。

受到材料以及工艺条件的限制，GaN材料的表、界面氧化，沾污是不可避免的，这导致了金属/GaN界面性质的复杂化。另一方面，表、界面的调控，对GaN基器件的光电性能有着重要的影响。基于此，依托目前国际最先进的真空互联装置，我们围绕金属/GaN界面接触行为的几个关键性问题，以GaN表面本征性质为切入点，详细研究了不同处理方式引入的表面态对GaN表面能带弯曲的影响，提出了基于电荷转移理论的能带弯曲模型， 并进一步通过光电子能谱（XPS）去卷积方法以及价带谱与DFT计算拟合的方法建立了精准确定n-GaN表面能带弯曲及价带谱最大值(VBM)的方法。VBM实验值的精确度由之前的+/-200meV提高到+/-50meV。通过对金半接触界面的调控，以及金属沉积工艺的改进，我们从理论和实验方面系统研究了影响欧姆接触性能的关键性因素。针对p-GaN的欧姆接触，探究了Pd/p-GaN界面的C、O沾污对欧姆接触性能的影响，揭示了Pd与p-GaN在真空环境下的接触行为和反应特性，详细研究了退火之后Au元素的扩散现象，揭示出了Au元素的扩散通道。针对n-GaN欧姆接触，创新性地提出了TiN金属“插层”方法，建立了TiN金属层的ALD沉积工艺，评估了引入TiN插层后n-GaN欧姆接触热稳定性与传统金属体系下的差异，揭示了元素扩散与热稳定性之间的关联。上述GaN表界面的分析结果，为后续GaN基器件(如GaN激光器，高迁移率场效应晶体管)的关键性工艺环节的实施提供了切实可行的工艺包和理论性的指导，有利于GaN基器件光电性能的进一步提升。.相较GaN而言，Ga2O3具有更大的禁带宽度(Eg=4.8eV)，更高的击穿电场强度(约8MV/cm), 以及相对成熟的单晶制备工艺，近几年来成为GaN之后的研究热点性。在上述GaN材料的研究基础上，本课题还进一步探所了GaNg和蓝宝石衬底上Ga2O3 薄膜的分子束外延的生长机理，研究了Ti基n型Ga2O3欧姆接触的界面反应，揭示了欧姆接触性能提升与中间反应相之间的关系。从Ga2O3薄膜的制备到Ga2O3材料的欧姆接触机理研究，我们为GaN到Ga2O3体系的发展提供了一定的理论和实验指导。