感光柵極GaN基HEMT器件的制備與柵極優化

朱彥旭, 李賚龍*, 白新和, 宋會會 , 石 棟 , 楊 壯 , 楊 忠

(1. 北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室, 北京 100124；2. 中國移動通信集團廣東有限公司 惠州分公司， 廣東 惠州 516000)

1 引 言

近年來，鐵電材料的紅外器件研究十分活躍[1-4]，由于鐵電材料具有良好的壓電、鐵電、熱釋電、光電及非線性光學特性，以及能夠與半導體工藝相集成等特點，在微電子和光電子技術領域有著廣闊的應用前景，成為一種新穎的功能材料，受到人們的廣泛關注和重視[5-6]，其中，鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜是迄今為止研究最多、應用最廣的一類鐵電薄膜材料。

PZT薄膜的反常光伏效應在一定波長的光照下可以產生穩定的光誘導電流和遠大于晶體禁帶寬度(Eg)的光生電壓，尤為特別的是其光伏響應可以通過外加電場來進行調控，這些特點使其在紅外光伏探測器領域有廣泛的應用前景[7-9]。特別是與GaN基高電子遷移率晶體管(High electron mobility transistor，HEMT)器件相結合，由PZT薄膜的光電及熱電特性將吸收的光子轉換為電子，從而改變HEMT器件的柵壓，使輸入電流發生變化，達到對輻射光探測的目的。通過鐵電材料不同性質與GaN基HEMT器件相結合所制備的紅外探測器，其探測的紅外波段非常寬廣，從可見光至遠紅外波段都可以探測，而且，由于AlGaN/GaN 異質結利用自發極化和壓電極化效應所形成的高密度二維電子氣(Two dimensional electrongas，2DEG)，其遷移率高達2 000 cm2/(V·s)[10]，基于該特點，用AlGaN/GaN HEMT器件制備的探測器不僅靈敏度高、響應速率快，而且探測面積廣泛，可以適應惡劣的環境。但是，GaN基HEMT器件自身的研究依然存在著很多影響器件性能的問題[11-13]。

本文將鐵電薄膜PZT與AlGaN/GaN HEMT器件結合，在HEMT器件的柵極處淀積一層導電金屬電極，其上淀積一定厚度具有光伏效應的敏感單元PZT，成功地制備出具有光敏感柵極的HEMT器件。并使用365 nm的可見光測試其I-V特性，通過改變HEMT器件柵極長度、柵極與漏極之間的距離等參數，分析光照后I-V曲線以及轉移曲線的變化，從而達到優化光敏感柵極HEMT器件性能的目的。

2 感光柵極GaN HEMT器件制備與理論分析

2.1 器件制備

感光柵極HEMT的結構示意圖如圖1所示，外延片采用硅(Si)襯底AlGaN/GaN異質結外延片，其中GaN層厚度為1.7 μm，AlGaN層厚度為20 nm。感光薄膜PZT采用鋯鈦酸鉛(PbZr0.52-Ti0.48O3)靶材，純度99.99%，直徑75 mm，厚度3 mm，銅背板厚度3 mm。器件制備工藝步驟流程圖如圖2 所示。

圖1 感光柵極 GaN HEMT 器件結構示意圖

Fig.1 Structure schematic of the photosensitive gate GaN based HEMT

具體制備工藝主要包括光刻套刻器件結構，反應耦合等離子體(ICP)刻蝕出有源區臺面，等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)200 nm SiO2隔離保護有源區，濺射生長源漏電極(Ni/Au 50 nm/50 nm)，源漏電極退火(高純N2氣830 ℃ 30 s)，使其形成歐姆接觸，濺射生長柵極電極(Ti/Pt 40 nm/200 nm)，濺射制備感光柵極薄膜PZT。使用MSP-300B全自動磁控濺射鍍膜機，采用斜靶濺射，襯底加溫100 ℃，真空度為5×10-4Pa，工作氣體為高純Ar氣，濺射功率100 W，工作氣壓1 Pa，濺射時長2 h，濺射厚度為350 nm。以650 ℃ 300 s進行退火使PZT薄膜極化，并且使柵極電極形成肖特基接觸，而后濺射Ni/Cr(20 nm/200 nm)作為上電極金屬，Ni/Cr合金具有較好的紅外吸收能力，既可作為上電極也可作為吸收層以吸收一定波長的光,有利于光吸收和光探測[14-15]，其中每一步電極的濺射制備與PZT薄膜的濺射制備均建立在套刻的基礎上。感光柵極GaN HEMT器件實物圖如圖3 所示。

圖2 感光柵電極 GaN HEMT 器件制備工藝流程圖

Fig.2 Process flow chart of photosensitive device grid electrode GaN HEMT device

圖3 感光柵極 GaN HEMT。 (a)測試樣品；(b)測試單元。

Fig.3 Photosensitive gate electrode GaN based HEMT. (a) Test sample. (b) Test cell.

2.2 理論分析

AlGaN/GaN HEMT作為一種柵控器件，由AlGaN勢壘層上的肖特基柵施加偏壓來改變耗盡區的厚度，從而控制溝道2DEG及器件的工作狀態。AlGaN/GaN異質結處的2DEG一方面受柵極電壓的控制，一方面又非常接近表面，對表面的狀態非常敏感，因此，可以通過改變柵壓以及表面態兩種方式來調控2DEG的濃度，從而改變源漏之間的電流[16]。

HEMT器件柵極上的光感應層PZT在受到輻射光的照射時會產生光伏效應，使感光層表面電荷發生變化，引起HEMT器件柵壓的變化，從而導致半導體內2DEG濃度的改變，使器件源漏溝道的電流發生變化，達到對輻射光探測的目的。源漏溝道的電流受柵壓變化的影響，而柵長的大小可以調控柵壓對溝道電流的影響。減小柵長可以提高器件跨導，進而提高器件的柵控能力，同時器件閾值電壓也發生變化，但是柵長過短會影響柵下電勢的二維分布，并且導致漏致勢壘降低效應(DIBL)[17]，從而引起短溝道效應。本實驗共設計6種器件參數，選取不同的柵長、源柵與柵漏間距，在統一測試條件下測試其光照后的I-V特性曲線以及轉移特性曲線，分析在不同的器件參數條件下，感光柵極HEMT的光響應變化，從而達到優化器件性能和提高器件探測效率的目的。器件參數如表1、表2所示 。

制備的器件結構在顯微鏡下如圖4所示。

表1不同柵長的3組器件結構參數

Tab.1 Different gate length of the three groups of device structure parameters

樣品編號柵長Lg/μm柵源間距Lgs/μm柵漏間距Lgd/μmA1 34B2 34C3 34

表2不同柵漏間距的3組器件結構參數

Tab.2 Three different gate to drain pitch device structure parameters

樣品編號柵長Lg/μm 柵源間距Lgs/μm 柵漏間距Lgd/μmD135E1310F1315

圖4 6組不同器件結構的測試單元

3 結果與討論

對制備的6種不同器件參數的感光柵極GaN HEMT器件在波長為365 nm的光照及無光照條件下進行I-V特性曲線以及轉移特性曲線測試，其中Vgs為柵極電壓，Ids為漏極電流，Vds為漏極電壓。首先對不同柵長的3組器件A、B、C進行測試，轉移特性中Vgs選取-4～2 V，I-V特性測試中Vds取0～15 V，Vgs取-2 V。測試所得I-V特性曲線以及轉移特性曲線如圖5所示。

圖5 (a)不同柵長的器件對轉移特性的影響；(b)不同柵長的器件對I-V特性曲線的影響。

Fig.5 (a)Effects of different gate length devices on the transfer characteristic curve.(b)Effect of devices with different gate lengths on theI-Vcharacteristic curve.

分析圖5，其中虛線為器件A在無光條件下的曲線圖，從圖中可以明顯看出，感光柵極GaN HEMT器件在365 nm的光照射下有明顯的響應，在漏極電壓達到10 V時，無光照時器件A的漏極飽和電流為16 mA，光照條件下提高至28 mA。分析其原因，首先為感光薄膜PZT 的光伏效應，另外，GaN基材料禁帶寬度覆蓋從可見光到紫外光的范圍，365 nm的光為紫外光波段，激發了GaN基材料產生電子空穴對[18]。從圖5(a)中可以看出隨著柵長的增大，器件的閾值電壓增大。另外從圖5(b)中可以看出漏極電壓達到10 V時，器件B、C的漏極飽和電流分別為23 mA、17 mA，隨著柵長的增大，器件的漏極飽和電流減小，這是由于柵極越長，柵下方耗盡層寬度越大，使該處的2DEG濃度降低，導致漏極電流下降。柵長的增加同時又導致溝道電阻越來越大，載流子運輸路徑越來越長,以及膝點電壓效應等,這些都將導致漏極電流下降[19-20]。

圖6 (a)不同柵漏間距的器件對轉移特性的影響；(b)不同柵漏間距的器件對I-V特性曲線的影響。

Fig.6 (a)Influence of devices with different gates and leeds on the transfer characteristic curve. (b)Effect of different gate-drain spacing devices on theI-Vcharacteristic curve.

其次對不同柵漏間距的3組器件D、E、F在相同的測試條件下進行測試，所得I-V特性曲線以及轉移特性曲線如圖6所示。

分析圖6，其中虛線為器件D在無光條件下的曲線圖，在漏極電壓達到10 V時，其漏極飽和電流為9 mA，作為與光照條件下的器件曲線的對比，顯而易見，器件D、E、F在波長為365 nm的光照射下有明顯的響應。從圖6(a)中可以看出，柵漏間距的變化對閾值電壓的影響并不大，當柵極電壓持續增大時，柵漏間距較大的器件漏極電流減小，這是由于柵漏間距增大，器件的等效電阻也增大，在相同的柵極電壓下電流便減小。另外，圖6(b)中在非飽和區，器件D、E、F的輸出電流依次減小，這是由于漏極電壓較小時，GaN基HEMT器件的耗盡層可以看作阻值受柵壓控制的線性電阻器[21]，當柵漏間距變小時，電阻越來越小，輸出電流越來越大。當漏極電壓越來越大，在漏極電壓達到10 V時，曲線進入飽和區，此時器件D、E、F的飽和電流均在21 mA左右，變化并不大，這是由于漏極電壓的增大導致了類似于MOSFET預夾斷的現象，所以柵漏間距對飽和電流的影響并不大。

4 結 論

本文制備了6種不同結構參數的感光柵極GaN基HEMT器件，分別選取柵長為1,2,3 μm，保持源漏間距不變，分別在有光和無光條件下測試其轉移特性與I-V輸出特性曲線。發現在光照條件下，器件的飽和輸出電流達到28 mA，較無光條件下提高12 mA，另外，隨著柵長的增大，器件的飽和輸出電流依次減小，這是由于柵長的增大導致2DEG濃度下降以及溝道電阻的增大所引起。另外，選取柵漏間距為5,10,15 μm，保持柵長與源柵間距不變，測試結果表明，有光照時器件的飽和輸出電流達到21 mA，較無光條件下提高12 mA，另外，柵漏間距的變化對閾值電壓以及飽和電流的影響并不大。因此，感光柵極GaN基HEMT器件作為一種新結構器件對可見光有較高的探測效果，并且改變器件的結構參數，可以更好地提高器件的性能以及探測效率。接下來可以從材料的結構以及制備工藝等方面入手，進一步探究器件對不同光波段的響應度以及對鐵電薄膜表面產生的影響。