作者：王傳舉， 徐向明，Husam N. Alshareef，李曉航

單位：沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)

摘要：柵極控制能力是決定氮化鎵高電子遷移率晶體管性能的關(guān)鍵因素。然而在金屬-氮化鎵界面，金屬和半導(dǎo)體的直接接觸會導(dǎo)致界面缺陷和固定電荷，這會降低氮化鎵高電子遷移率晶體管柵控能力。在本項研究中，二維導(dǎo)電材料Ti3C2TxMXene 被用來作為氮化鎵高電子遷移率晶體管的柵電極，MXene和氮化鎵之間形成沒有直接化學(xué)鍵的范德華接觸。氮化鎵高電子遷移率晶體管的柵極控制能力得到顯著增強(qiáng)，亞閾值擺幅61 mV/dec接近熱力學(xué)極限，開關(guān)電流比可以達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的~1013。

簡介：肖特基柵耗盡型氮化鎵高電子遷移率晶體管被廣泛應(yīng)用在高頻電子器件領(lǐng)域。然而肖特基柵晶體管通常面臨著高柵極漏電，開關(guān)電流比低等一系列問題。高柵極漏電將降低柵極擊穿電壓，因而導(dǎo)致高功耗和器件提前失效。最近幾年，大量的研究通過增加?xùn)艠O電介質(zhì)來降低柵極漏電。然而，在氮化鎵高電子遷移率晶體管添加?xùn)沤橘|(zhì)會導(dǎo)致閾值電壓的負(fù)向移動和降低柵控能力。

一個良好的柵極-氮化鎵界面是增強(qiáng)柵控能力的必要因素。然而傳統(tǒng)柵電極如Cu, Pt, W, Au, Ni和Cr通常以電子束蒸發(fā)和磁控濺射方式沉積在氮化鎵表面，在電介質(zhì)和柵電極沉積過程中通常伴隨著高能量等離子體和高溫環(huán)境對氮化鎵表面造成損壞。另外，由于電介質(zhì)材料和氮化鎵的晶格不匹配也會在電介質(zhì)-氮化鎵界面引入缺陷，從而降低氮化鎵電力電子器件的可靠性。二維導(dǎo)電材料MXene與氮化鎵形成范德華異質(zhì)結(jié)，不同于常規(guī)電介質(zhì)-氮化鎵和金屬電極-氮化鎵的直接接觸類型，由范德華接觸組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)無需滿足晶格匹配的要求，不會對氮化鎵表面產(chǎn)生損害，而且制備過程簡單，可大面積生產(chǎn)。

結(jié)果和討論：

圖1.Ni (a) 和 (b) MXene的金屬誘導(dǎo)能隙態(tài)。Ni (c) 和 (d) MXene作為柵電極的氮化鎵高電子遷移率晶體管示意圖。

氮化鎵高電子遷移率晶體管的柵電極通常以電子束蒸發(fā)和磁控濺射的方式沉積在氮化鎵的表面，柵極金屬與氮化鎵表面形成化學(xué)鍵。如圖1 (a) 所示，由于金屬與氮化鎵的直接接觸，來自金屬的波函數(shù)會擴(kuò)散到氮化鎵的能帶內(nèi)引起缺陷能級。如圖1 (c) 所示，當(dāng)在柵電極上施加負(fù)向電壓，金屬中的電子會通過缺陷能級在電場的作用下，轉(zhuǎn)移到二維電子氣溝道， 而增加?xùn)艠O漏電流和關(guān)態(tài)漏極電流。如圖1 (b) 和 (d) 所示，于此形成鮮明對比的是，MXene與氮化鎵形成范德華接觸，金屬的波函數(shù)無法擴(kuò)散到氮化鎵的能帶內(nèi)而避免了缺陷能級的形成, 從而可以有效降低柵極漏電流和關(guān)態(tài)漏極電流。

圖2.Ni (a) 和 (b) MXene和氮化鎵界面掃描透射電子顯微鏡圖。Ni (c) 和 (d) MXene作為柵電極的電容器的電容-電壓曲線 (耗盡區(qū)電容) 。

如圖2(a)所示，我們利用掃描透射電子顯微鏡圖檢測了Ni與 MXene和氮化鎵界面。在Ni與氮化鎵之間會形成一層氧化物，文獻(xiàn)報道這層氧化物由氧化鎳與氧化鋁組成。如圖2(c)所示，在柵極的負(fù)電壓掃描下，界面氧化物中的缺陷不停地俘獲和釋放電子從而在電容-電壓曲線上引起噪聲。如圖2(b) 所示，MXene與氮化鎵之間形成范德華接觸，MXene與氮化鎵之間無化學(xué)鍵的形成從而減少了缺陷形成。如圖2(d) 所示，MXene作為柵電極的電容器的電容-電壓曲線更加光滑而少噪聲。

圖3.(a) FL-,(b) ML-，和(c)O-MXene作為柵電極的晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。(d) MXene柵電極和其它常用柵電極的晶體管性能比較。

我們進(jìn)一步通過優(yōu)化MXene來提高氮化鎵高電子遷移率晶體管的性能。如圖3(a) 和 (b) 所示，對多層 (FL-) 和單層 (ML-) MXene 分別實現(xiàn)了開關(guān)電流比分別為 ~108和 ~1010。如圖3(c)所示，而經(jīng)過部分氧化后的(O-) MXene可以得到創(chuàng)紀(jì)錄的 ~1013開關(guān)電流比。如圖3(d) 所示，我們對比了MXene 和其它常用柵電極的晶體管性能。利用MXene可以同時實現(xiàn)超高開關(guān)電流比和接近熱力學(xué)極限亞閾值擺幅61 mV/dec。

總結(jié)：

氮化鎵電力電子器件對可靠性有很高的要求，對氮化鎵界面問題的深入研究有望進(jìn)一步提升氮化鎵電力電子器件的可靠性。MXene范德華接觸可以有效避免傳統(tǒng)金屬柵電極對半導(dǎo)體表面的損害，對于進(jìn)一步提高氮化鎵高電子遷移率晶體管性能有著重要意義。這項研究顯示了MXene范德華接觸在寬禁帶半導(dǎo)體中巨大的應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅