MXene范德华接触在氮化镓高电子迁移率晶体管中的应用

作者：王传举， 徐向明，Husam N. Alshareef，李晓航

单位：沙特阿卜杜拉国王科技大学

摘要：栅极控制能力是决定氮化镓高电子迁移率晶体管性能的关键因素。然而在金属-氮化镓界面，金属和半导体的直接接触会导致界面缺陷和固定电荷，这会降低氮化镓高电子迁移率晶体管栅控能力。在本项研究中，二维导电材料Ti3C2Tx MXene 被用来作为氮化镓高电子迁移率晶体管的栅电极，MXene和氮化镓之间形成没有直接化学键的范德华接触。氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极控制能力得到显著增强，亚阈值摆幅61 mV/dec接近热力学极限，开关电流比可以达到创纪录的~1013。

简介：肖特基栅耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管被广泛应用在高频电子器件领域。然而肖特基栅晶体管通常面临着高栅极漏电，开关电流比低等一系列问题。高栅极漏电将降低栅极击穿电压，因而导致高功耗和器件提前失效。最近几年，大量的研究通过增加栅极电介质来降低栅极漏电。然而，在氮化镓高电子迁移率晶体管添加栅介质会导致阈值电压的负向移动和降低栅控能力。

一个良好的栅极-氮化镓界面是增强栅控能力的必要因素。然而传统栅电极如Cu, Pt, W, Au, Ni和Cr通常以电子束蒸发和磁控溅射方式沉积在氮化镓表面，在电介质和栅电极沉积过程中通常伴随着高能量等离子体和高温环境对氮化镓表面造成损坏。另外，由于电介质材料和氮化镓的晶格不匹配也会在电介质-氮化镓界面引入缺陷，从而降低氮化镓电力电子器件的可靠性。二维导电材料MXene与氮化镓形成范德华异质结，不同于常规电介质-氮化镓和金属电极-氮化镓的直接接触类型，由范德华接触组成的异质结构无需满足晶格匹配的要求，不会对氮化镓表面产生损害，而且制备过程简单，可大面积生产。

结果和讨论：

图1. Ni (a) 和 (b) MXene的金属诱导能隙态。Ni (c) 和 (d) MXene作为栅电极的氮化镓高电子迁移率晶体管示意图。

氮化镓高电子迁移率晶体管的栅电极通常以电子束蒸发和磁控溅射的方式沉积在氮化镓的表面，栅极金属与氮化镓表面形成化学键。如图1 (a) 所示，由于金属与氮化镓的直接接触，来自金属的波函数会扩散到氮化镓的能带内引起缺陷能级。如图1 (c) 所示，当在栅电极上施加负向电压，金属中的电子会通过缺陷能级在电场的作用下，转移到二维电子气沟道， 而增加栅极漏电流和关态漏极电流。如图1 (b) 和 (d) 所示，于此形成鲜明对比的是，MXene与氮化镓形成范德华接触，金属的波函数无法扩散到氮化镓的能带内而避免了缺陷能级的形成, 从而可以有效降低栅极漏电流和关态漏极电流。

图2. Ni (a) 和 (b) MXene和氮化镓界面扫描透射电子显微镜图。Ni (c) 和 (d) MXene作为栅电极的电容器的电容-电压曲线 (耗尽区电容) 。

如图2(a)所示，我们利用扫描透射电子显微镜图检测了Ni与 MXene和氮化镓界面。在Ni与氮化镓之间会形成一层氧化物，文献报道这层氧化物由氧化镍与氧化铝组成。如图2(c)所示，在栅极的负电压扫描下，界面氧化物中的缺陷不停地俘获和释放电子从而在电容-电压曲线上引起噪声。如图2(b) 所示，MXene与氮化镓之间形成范德华接触，MXene与氮化镓之间无化学键的形成从而减少了缺陷形成。如图2(d) 所示，MXene作为栅电极的电容器的电容-电压曲线更加光滑而少噪声。

图 3. (a) FL-, (b) ML-，和 (c) O-MXene作为栅电极的晶体管的转移特性曲线。(d) MXene栅电极和其它常用栅电极的晶体管性能比较。

我们进一步通过优化MXene来提高氮化镓高电子迁移率晶体管的性能。如图3(a) 和 (b) 所示，对多层 (FL-) 和单层 (ML-) MXene 分别实现了开关电流比分别为 ~108和 ~1010。如图3(c)所示，而经过部分氧化后的 (O-) MXene可以得到创纪录的 ~1013 开关电流比。如图3(d) 所示，我们对比了MXene 和其它常用栅电极的晶体管性能。利用MXene可以同时实现超高开关电流比和接近热力学极限亚阈值摆幅61 mV/dec。

总结：

氮化镓电力电子器件对可靠性有很高的要求，对氮化镓界面问题的深入研究有望进一步提升氮化镓电力电子器件的可靠性。MXene范德华接触可以有效避免传统金属栅电极对半导体表面的损害，对于进一步提高氮化镓高电子迁移率晶体管性能有着重要意义。这项研究显示了MXene范德华接触在宽禁带半导体中巨大的应用前景。

主要人员简介：

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.

来源：第三代半导体产业