氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备∗

朱彦旭 宋会会 王岳华 李赉龙 石栋

(北京工业大学,光电子技术教育部重点实验室,北京 100124)(2017年6月26日收到;2017年9月14日收到修改稿)

1 引 言

氮化镓(GaN)及其系列材料(包括GaN,InN,AlN及其合金)被称为第三代半导体,在光电子和微电子学领域都有着重要的应用价值和广阔的应用前景[1−4].极化材料GaN的禁带宽度大、耐击穿、化学性质稳定.在GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件结构中,AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气(2DEG)迁移率高达2000 cm2/(V·s)[5],AlGaN/GaN异质结结构导带的偏移比较大,在异质结附近能产生很强的自发和压电极化效应,可不需要特意掺杂便能在界面处堆积高浓度的2DEG[6],异质结AlGaN/GaN界面处会形成一个2DEG的表面通道,势阱中的2DEG受控于栅极电压[7],且这层2DEG十分接近表面,对表面的状态十分敏感.当表面态变化时,会引起2DEG浓度的变化,因此可以通过表面态的变化来调节2DEG的浓度,从而改变源漏之间的电流[8].一般意义上的光探测器指从紫外到红外的器件,且被广泛的应用于军事、成像技术以及光通信等[9−12].目前GaN光探测器主要分为三种:光电导型、p-n结型和肖特基结型[13].利用AlGaN/GaN异质结HEMT器件制备的传感器具有灵敏度高、响应快、探测面广、适用于恶劣环境的优势,成为新型传感探测领域的研究热点[14],且与功能薄膜结合可达到不同探测机理并可实现更广的探测面成为一种新趋势.

锆钛酸铅是ABO3型钙钛矿结构的二元系固溶体,其化学式为Pb(ZrxTi1−x)O3,简称PZT.它是铁电体里最具代表性的一种功能材料,因其优越的铁电、压电、热释电特性,以及能够与半导体工艺相集成等特点,近几十年来受到国内外学者的广泛关注,成为国际上一种新颖的功能材料[15].铁电薄膜PZT的反常光伏效应在一定波长的光照下可以产生稳定的光诱导电流和远大于晶体禁带宽度(Eg)的光生电压,尤为特别的是其光伏响应可以通过外加电场来进行调控,这些特点使其在紫外光伏探测器[16−18]有广泛的应用前景.将铁电薄膜与HEMT器件结合,在HEMT栅位置处淀积了一层导电金属电极,其上淀积一定厚度具有光伏效应的敏感单元PZT.HEMT与PZT的结合将融合各自的优点,以新的探测机制,为光探测提供了新的研究方向,具有重要的研究意义.

2 感光栅极的GaN基HEMT器件制备

GaN基HEMT是一种典型的栅控器件,根据其原理可以人为改变栅极附加电压或者外界转换附加电压以达到输出源漏之间电流的改变.HEMT与PZT结合,在HEMT金属栅极上淀积一层铁电薄膜PZT作为光感应层,即感光栅极.上电极制备的目的是为了极化PZT,并用于后续探针接触测试.当光辐射到栅极上时,光感应层PZT产生光伏效应,从而引起感光层表面电荷的变化,进而引起半导体内2DEG的变化,使输入电流发生变化,达成对辐射光的探测.感光栅极HEMT的结构示意图如图1,其中栅源间距Lgs=15µm,栅漏间距Lgd=21µm,栅长L=4µm.

图1 感光栅电极GaN基HEMT器件结构示意图Fig.1.The structure schematic of the GaN base HEMT device.

感光栅极的GaN基HEMT器件工艺主要包括光刻套刻器件结构,反应耦合等离子体(ICP)刻蚀出有源区台面,等离子体增强化学气相沉积SiO2隔离保护有源区,源漏欧姆电极溅射淀积,源漏电极退火形成欧姆接触,栅极肖特基电极溅射淀积,溅射制备感光栅极薄膜PZT及其上电极.器件具体工艺步骤的流程图如图2所示.

图2 感光栅电极GaN基HEMT器件制备工艺流程Fig.2.The process of preparation process of the grating electrode GaN base HEMT device.

实验采用锆钛酸铅(PbZr0.52Ti0.48O3)靶材,纯度99.99%,直径60 mm,绑定铜背板后厚度为5.5 mm,外延片采用苏州精湛半导体有限公司的蓝宝石(Al2O3)衬底AlGaN/GaN异质结外延片.使用北京创世威纳科技有限公司MSP-300B全自动磁控溅射镀膜机在HEMT器件的栅极上沉积了感光单元PZT薄膜,其优点在于:设备简单易于操作,镀膜面积大且附着力强,易于控制薄膜厚度,可以高温低气压下进行高速溅射,薄膜质量好较致密,而且易于集成在微电子器件上[19].采用斜靶溅射,衬底加温300°C,真空度为5×10−4/Pa,工作气氛Ar/O2比例为40 sccm:3.6 sccm,溅射功率65 W,工作气压0.8 Pa,溅射2 h,溅射厚度为242 nm(红色区域为PZT覆盖面积).以650°C-3 min进行退火晶化,后溅射Ni/Cr(30 nm/200 nm)作为上电极金属,Ni/Cr合金具有较好的红外吸收能力,既可作为上电极也可作为吸收层以吸收一定波长的光,有利于光吸收和光探测[20,21].感光栅电极GaN基HEMT器件实物图如图3所示.

图3 感光栅电极GaN基HEMT (a)测试样品;(b)测试单元Fig.3.Photosensitive gate electrode GaN based HEMT:(a)Test sample;(b)test cell.

3 测试分析

首先对无感光栅极的蓝宝石衬底GaN基HEMT基本结构器件在暗场、可见光(普通光源)及紫外光下分别进行测试,然后对有感光栅极的蓝宝石衬底的GaN基HEMT基本结构器件在暗场、可见光及紫外光下分别进行测试.统一测试条件:Vds取0—15 V电压,分别加三组Vgs电压为−3,−2.5,−2 V(测试图4—图7中w-Vgs是指无光条件下的栅电压,k-Vgs是指可见光条件下的栅电压,z-Vgs是指紫外光条件下的栅电压),得到电流输出特性曲线,发现该器件对365 nm的紫外光和可见光都有一定的响应.

3.1 无感光栅极蓝宝石衬底HEMT器件测试

图4是蓝宝石衬底无感光栅电极HEMT的可见光及暗场对比输出特性曲线.从图4得到,可见光可以改变饱和源漏电压,使之提前达到饱和,其中减小饱和漏源电压最大幅值约为3 V;Vgs为−2 V时,源漏饱和电流约增加0.5 mA;在Vgs为−2.5 V时,源漏饱和电流约增加0.6 mA;在Vgs为−3 V时,源漏饱和电流略有增加,基本持平.图5是蓝宝石衬底无感光栅电极HEMT的紫外光及暗场对比输出特性曲线.从图5得到,紫外光也可以改变饱和源漏电压,使之提前达到饱和,其中减小饱和漏源电压最大幅值约为4 V;在Vgs为−2 V时,源漏饱和电流约增加2 mA;在Vgs为−2.5 V时,源漏饱和电流约增加1.3 mA;在Vgs为−3 V时,源漏饱和电流约增加1 mA.图4和图5中在暗场下测试−3 V条件下出现反常的输出曲线,这一物理现象和机理解释尚不明确,有待进一步研究.

图4 (网刊彩色)蓝宝石衬底无感光栅电极HEMT的可见光及暗场对比输出特性曲线Fig.4.(color online)Visible light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with no light-grating electrode.

图5 (网刊彩色)蓝宝石衬底无感光栅电极HEMT的紫外光及暗场对比输出特性曲线Fig.5.(color online)Ultraviolet light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with no light-grating electrode.

综上测试结果显示蓝宝石衬底的无光栅HEMT器件对可见光及紫外光有较好的响应,减小了饱和漏源电压,并增加了饱和漏电流Ids,其中紫外光响应更明显,这是由于紫外光能激发Al-GaN/GaN材料产生了电子空穴对[22].器件的漏极电流达到饱和后会略微下降是由于自热效应增强了晶格无序散射并导致沟道电子迁移率下降[23].

3.2 有感光栅极蓝宝石衬底HEMT器件测试

图6是蓝宝石衬底有感光栅电极HEMT在可见光及暗场对比输出特性曲线.从图中得到可见光可以改变饱和源漏电压,使之提前达到饱和,其中减小饱和源漏电压最大幅值约为4.5 V;在Vgs为−2 V时,源漏饱和电流约增加0.5 mA;在Vgs为−2.5 V时,源漏饱和电流约增加0.6 mA;在Vgs为−3 V时,源漏饱和电流约增加0.5 mA;图7是蓝宝石衬底有感光栅电极HEMT在紫外光及暗场对比输出特性曲线.从图7得到,紫外光可以改变饱和源漏电压,使之提前达到饱和,其中减小饱和源漏电压最大幅值约为5 V;在Vgs为−2 V时,源漏饱和电流约增加6 mA;在Vgs为−2.5 V时,源漏饱和电流约增加6.5 mA;在Vgs为−3 V时,源漏饱和电流约增加6 mA.特别是在紫外光下有较好的响应,减小了饱和漏源电压,并增加了饱和漏电流Ids,图8可以解释这一现象.

图6 (网刊彩色)蓝宝石衬底有感光栅电极HEMT的可见光及暗场对比输出特性曲线Fig.6.(color online)Visible light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with a grating electrode.

图7 (网刊彩色)蓝宝石衬底有感光栅电极HEMT的紫外光及暗场对比输出特性曲线Fig.7.(color online)Ultraviolet light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with a grating electrode.

当光照在铁电薄膜上时,在畴壁内激发出空穴-电子对,迅速被铁电体内的极化电场拉开,向两边畴壁漂移并在畴壁处积累.这个过程和p-n结的光伏效应机制很像,不同的是铁电薄膜内畴壁间的电场远高于p-n结内的自建电场,同时这种畴壁间的内建电场遍布整个铁电薄膜内,以铁电畴壁内的电场代替p-n结的自建电场,光照射到铁电薄膜上将大大提高铁电薄膜的光伏电压,铁电薄膜的禁带宽度在紫外波段处,所以就对紫外光响应最大[24].综上测试结果显示蓝宝石衬底的有感光栅HEMT器件在可见光和紫外光下,特别是在紫外光下源漏饱和电流增加6.5 mA时,响应更是明显.

图8 光照下铁电畴分离电子-空穴对模型Fig.8.Electron-hole pair model of ferroelectric domain separation under illumination.

4 结 论

本文对比了有/无感光栅GaN基HEMT感光测试结果,得到可见光条件下,两者的源漏饱和电流最大增幅一致,前者较后者没有下降;紫外光条件下,前者较后者的源漏饱和电流最大增幅是5.2 mA.可见光下没有减少,紫外光下有明显增加,说明感光栅PZT在可见光及紫外光下有作用于蓝宝石衬底的GaN基HEMT器件,并有调控沟道电流的趋势.这是因为依据GaN基HEMT器件的基本结构和优点,在其金属栅极上淀积一层铁电薄膜PZT作为光感应层,当光辐射到栅极上时,光感应层PZT由于光伏效应产生的附加电场作用于2DEG,通过调节沟道的宽窄,使输出电流发生变化.由此可见,提出的新结构器件——感光栅极GaN基HEMT器件能够对可见光和紫外光进行更好的探测.下一步将从材料结构、器件结构和制备工艺等方面入手,进一步探究器件在宽波段的响应度及对铁电薄膜表面产生的影响.感谢北京工业大学邹恕德研究员的讨论.

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