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鍵因素。然而在金屬-氮化鎵界面，金屬和半導體的直接接觸會導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，二維導電材料Ti₃C₂T_x MXene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，亞閾值擺幅61 mV/dec接近熱力學極限，開關電流比可以達到創紀錄的~10¹³。

作者：王傳舉， 徐向明，Husam N. Alshareef，李曉航（沙特阿卜杜拉國王科技大學）

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用在高頻電子器件領域。然而肖特基柵晶體管通常面臨著高柵極漏電，開關電流比低等一系列問題。高柵極漏電將降低柵極擊穿電壓，因而導致高功耗和器件提前失效。最近幾年，大量的研究通過增加柵極電介質來降低柵極漏電。然而，在氮化鎵高電子遷移率晶體管添加柵介質會導致閾值電壓的負向移動和降低柵控能力。

一個良好的柵極-氮化鎵界面是增強柵控能力的必要因素。然而傳統柵電極如Cu, Pt, W, Au, Ni和Cr通常以電子束蒸發和磁控濺射方式沉積在氮化鎵表面，在電介質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境對氮化鎵表面造成損壞。另外，由于電介質材料和氮化鎵的晶格不匹配也會在電介質-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。二維導電材料MXene與氮化鎵形成范德華異質結，不同于常規電介質-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結構無需滿足晶格匹配的要求，不會對氮化鎵表面產生損害，而且制備過程簡單，可大面積生產。

結果和討論：

圖1. Ni (a) 和 (b) MXene的金屬誘導能隙態。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，來自金屬的波函數會擴散到氮化鎵的能帶內引起缺陷能級。如圖1 (c) 所示，當在柵電極上施加負向電壓，金屬中的電子會通過缺陷能級在電場的作用下，轉移到二維電子氣溝道， 而增加柵極漏電流和關態漏極電流。 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，金屬的波函數無法擴散到氮化鎵的能帶內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態漏極電流。

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。

我們進一步通過優化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 分別實現了開關電流比分別為為 ~10⁸和 ~10¹⁰。如圖3(c)所示，而經過部分氧化后的 (O-) MXene可以得到創紀錄的 ~10¹³  開關電流比。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可以同時實現超高開關電流比和接近熱力學極限亞閾值擺幅61 mV/dec。

總結：

 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金屬柵電極對半導體表面的損害，對于進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體中巨大的應用前景。

主要人員簡介：

ChuanJu Wang is a PHD student in King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) under the guidance of Professor XiaoHang Li. His research interests focus on the interface engineering of GaN and the high power and frequency application of GaN HEMTs. 

 

 

Xiangming Xu received his Ph.D. degree in 2020 in Materials Science & Engineering from King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) under the guidance of Professor Husam N. Alshareef. He is currently a Postdoctoral Fellow with Prof. Husam N. Alshareef as his advisor in King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). His research interests focus on the growth of large-area high-quality 2D films (MXenes, TMDs, MOFs) and their electronic device applications. 

 

Prof. Husam N. Alshareef is a Professor of Materials Science & Engineering at KAUST. After nearly ten years in the semiconductor industry, he joined KAUST in 2009 where he initiated an active research group working on inorganic nanomaterial development for energy storage and emerging electronics. Prof. Alshareef is a Fellow of the American Physical Society, Fellow of the Royal Society of Chemistry, IEEE Distinguished Speaker in Nanotechnology, Senior Member of IEEE, InstP Fellow, NAI Fellow, and Clarivate Analytics Highly Cited Researcher in Materials Science (2019 -2022).

 

 

Prof. XiaoHang Li is an associate Professor of Electrical and Computer Engineering at KAUST. Professor Li is Associate Editor of Photonics Research. He is also Editorial Board Member of the Optical Society (OSA). Professor Li is interested in the ultrawide bandgap and wide bandgap semiconductors. He is focused on growth, simulation, fabrication, and characterization of next-generation III-nitride and III-oxide devices.

 

原文見附件：

   Advanced Materials - 2023 - Wang - Ti3C2Tx MXene van der Waals Gate Contact for GaN High Electron Mobility Transistors.pdf