【据semiconductor-today官网2017年4月10日报道】近日，上海微系统与信息技术研究所和上海师范大学利用氟化石墨烯（FG）改善了氮化镓（AlGaN）金属-绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMTs）的性能[Lingyan Shen et al, IEEE Electron Device Letters, published online 15 March 2017]。FG在外延半导体和栅-绝缘体电介质之间作为钝化插入。研究人员声称，他们的工作是首先使用FG来钝化AlGaN/GaN HEMT。

在直流测试方面，性能也得到改善，但在脉冲条件下，III族氮化物晶体管的电流崩溃仍是一个持续的问题，研究人员正在开发用于功率和微波应用的III族氮化物器件。

图1：（a）FG-MIS HEMT和（b）传统MIS HEMT的示意图，（c）FG-MIS HEMT的栅极区域的HRTEM图像和（d）传统的MIS HEMT。
HEMT材料在具有3.9μm碳掺杂GaN缓冲层，300nm GaN沟道，1nm AlN间隔物，20nm AlGaN势垒和2nm GaN帽的层序列的蓝宝石上生长。器件制造由400nm台面蚀刻，退火钛/铝/镍/金欧姆接触，石墨烯转移和氟化，14nm原子层沉积（ALD）氧化铝，200nm等离子体增强化学气相沉积（PECVD）二氧化硅和退火镍在金氧化物电介质上形成金门。

通过化学气相沉积（CVD）在铜箔上生长石墨烯，然后通过电化学分层分离石墨烯并转移到HEMT，通过暴露于六氟化硫等离子体来实现氟化。HEMT参数为3μm栅极长度，15μm栅极至漏极间距和3μm栅极至源极间隔。

与传统的MIS-HEMT相比，氟化石墨烯的峰值跨导增加了14％。FG器件的阈值电压也为正值0.6V（见表1）。然而，阈值仍然为负，意味着在0V门电位下，器件处于“开”状态，即“正常”。FG器件的另一个改进是在“状态”（低至10-8mA/mm）下的两级减小的漏电流。

表1：从直流特性提取的参数。

研究人员将改进的性能归功于FG MIS-HEMT中的GaN帽和氧化铝栅极电介质之间的清晰和尖锐的界面，如高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）所揭示的，在没有FG的传统MIS-HEMT中的界面在2nm过渡区域模糊。

电容电压分析发现，通过使用FG，接口固定电荷从1.0×1012/cm2降低到2.5×1011/cm2。研究人员认为固定电荷与氮和氧在不存在FG屏障时在GaN和氧化铝层之间交换的能力有关。

图2：（a）FG-MIS HEMT和（b）MIS HEMT的输出特性，具有各种关闭状态偏置条件，在0V栅极电位下测量。
固定电荷对通道流动性产生不利影响，并且是脉冲操作下当前崩溃的一个因素（图2）。关闭状态为-10V门电位，导通状态为0V。离态应力变化到50V漏极偏置。以20秒的间隔开启和关闭装置。

在传统的MIS-HEMT中，具有10V漏极偏置的导通电流降低了41.8％，而50V偏态应力，FG装置的效果降低到8.1％。研究人员将非FG晶体管的固定接口电荷视为捕获电子，充当“虚拟栅极”，并且器件开启时缓慢释放。

FG MIS-HEMT比常规器件开启更快，并且导通状态电流仅由于截止状态漏极偏压而稍微受到影响，因为它增加到100V。除了较慢的导通之外，传统的MIS-HEMT随着截止状态漏极偏压从10V增加到100V，电流减少了大于2x。

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