AlGaN/GaN HEMT器件的光電特性研究

葛明昌通信作者，周國友，陸志航

合肥工業大學，安徽合肥，230009

0 引言

隨著紫外探測技術的不斷發展，人們發現其可作為紅外探測技術的補充，在很多領域發揮重要作用，而紫外探測器作為其最核心的部分，被各個國家列為當今研究發展的重要課題。在過去的幾十年中，已經研究和生產了大量的光電探測器，最典型的代表是硅基紫外探測器，它們通常被應用于可見光盲和日盲探測。然而，硅材料自身的限制也帶來了很多缺點，例如壽命短、量子效率低以及需要額外添加昂貴且易碎的濾片才能實現良好的可見光抑制比和日光抑制比[1]。

隨著寬帶隙半導體材料生長技術的發展，基于寬禁帶半導體的紫外探測器成了新的發展方向。作為第三代半導體材料的典型代表，GaN材料具有諸多優點：①優異的物理和化學穩定性，這使得GaN基紫外探測器可以在惡劣的條件下工作；②可以通過改變Al元素的組分來改變AlGaN材料的禁帶寬度。相應的截止波長正好處在紫外光譜200～365nm的范圍內[2]。因此，AlGaN是制造紫外探測器的理想材料。

但是大部分GaN基紫外光電探測器主要采用特殊的光電材料結構和工藝流程，這樣的工藝流程往往不適合用來設計制備微弱光電信號的低噪聲放大電路[3]，從而難以做到光電探測與放大功能的單片集成。因此，本文的主要內容就是圍繞常規非光電工藝的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件中的光調制性質進行研究。

1 器件結構與模型

1.1 器件結構

本文根據雪崩倍增產生的條件，在海威華芯0.25μm AlGaN/GaN HEMT工藝的設計規則下建立了如圖1所示的二維仿真模型。該器件一共由五層結構組成，第一層是厚度為20μm的SiC襯底，第二層是厚度為1μm的GaN緩沖層，第三層是厚度為0.025μm的AlGaN勢壘層，第四層是制作在AlGaN上的三個電極，最后是覆蓋了一層氮化物鈍化層。從圖中可以看出柵漏距離增加至8μm，目的是增大光照面積以及為光生載流子提供足夠長的加速路徑，從而獲得足夠的動能去碰撞電離。

圖1 應用于光電探測器的AlGaN/GaN HEMT結構

1.2 物理模型

只有選擇正確的物理模型，才能得到合理、正確的仿真結果。本文所用到的幾個重要的物理模型主要有遷移率模型、碰撞電離模型和復合模型。

由于AlGaN/GaN HEMT結構處在臨界擊穿電壓的條件下工作，其電子和空穴的遷移率與很多因素有關，例如電場、摻雜濃度、溫度、材料等。在低電場的情況下，載流子的速度隨著電場強度增大而增大，但是當電場強度達到高電場強度時，載流子的速度將達到飽和，不再隨著場強變化。因此，本文采用了Caughey和Thomas的低電場遷移率模型以及Canali高電場遷移率模型[3]。

當柵極上施加的負電壓足夠大時，溝道中的2DEG消失，漏源之間的電流為零。當2DEG消失后，在漏極上施加的正電壓足夠大，柵漏間漂移區內的電場接近或等同于臨界擊穿電場時，光生載流子將加速到足夠的能量去碰撞束縛的價電子，使其離化產生新的電子-空穴對。這些新的電子-空穴對又在高電場的作用下獲得足夠的能量對其它的價電子產生碰撞電離，從而產生更多的電子-空穴對，這樣不斷重復就導致了載流子的雪崩倍增，器件也就達到雪崩擊穿[4]。本文采用的是Selberherr碰撞電離模型來模擬上述情形。

直接帶隙的AlGaN/GaN材料就以直接復合為主[5]，本文采用SRH（Shockley-Read-Hall）復合和俄歇（Auger）復合描述AlGaN/GaN的載流子產生和復合。

2 仿真結果與分析

2.1 雪崩擊穿特性

為了得到在光照下雪崩倍增倍數最大的漏極電壓值，需要在紫外光照射下進行TCAD仿真。圖2為有/無光照時的擊穿特性曲線。從圖中可以看出，漏極電壓從0V增加到90V時，光電流與暗電流都緩慢地增長，兩者處在同一數量級。但是當漏極電壓增加到90V時，光電流開始急劇增長，并不斷與暗電流拉開差距，而暗電流從100V才開始慢慢增加。所以可以認為是由于光生載流子的產生，導致雪崩擊穿的提前到來。從圖中的標記可以看出漏極電壓為108V時，光電流比暗電流高出了3.6個數量級。經過計算，當柵極電壓為-8V、漏極電壓為108V時，AlGaN/GaN HEMT結構在光照條件下的雪崩倍增電流是無光照時的4110倍。

圖2 有/無光照時擊穿特性曲線

2.2 雪崩倍增機制

由于柵極電壓為-8V，漏極施加的高電壓會使柵極下方的耗盡層向漏極方向擴展，所以電場主要集中在AlGaN/GaN HEMT結構的柵極右側，如圖3所示，該處電場強度高達107V/cm，可以判定碰撞電離和雪崩倍增發生在柵極右側。

圖3 AlGaN/GaN HEMT雪崩擊穿電場分布

圖4和圖5表示在有/無光照時器件橫向和縱向電子的濃度分布。從圖4可以看出，由于柵極下方溝道呈夾斷狀態，所以電子濃度都很低，而由于光生載流子的產生，電子會向漏極流動，所以有光照時柵極下方的電子濃度比無光照時高出23個數量級。但是由于在柵極右側發生了碰撞電離和雪崩倍增，所以柵極右側的電子濃度會呈現上升的趨勢，此時有光照時的電子濃度也比無光照時高出了9個數量級。在源極和柵極之間以及靠近漏極一側，由于電場強度很低，并不會發生碰撞電離，所以電子濃度不會發生很大的變化。從圖5可以看出，器件柵極縱向上的電子濃度的差距，隨著縱向深度的加深，光照時電子濃度一直維持在1013/cm3，而無光照時電子濃度呈緩慢下降的趨勢并且處在1011/cm3左右。

圖4 漏極電壓108V情況下AlGaN/GaN HEMT結構中橫向電子濃度分布對比圖

圖5 漏極電壓108V情況下AlGaN/GaN HEMT結構中縱向電子濃度分布對比圖

圖6和圖7表示了器件在有/無光照時橫向和縱向空穴濃度的分布。從圖6可以看出，由于柵極右側的高電場發生了大量的碰撞電離，所以柵極右側的空穴濃度會顯著提高。由于柵極電壓為負值且空穴會通過柵極下方朝源極流動，所以在柵極下方會積聚大量的空穴，也就導致此處的空穴濃度最高，有光照時的空穴濃度比無光照時高出10個數量級。而遠離柵極靠近漏極的地方由于電場強度較低，并沒有發生碰撞電流，所以無光照時的空穴濃度僅為10-35/cm3。而光照時，柵極兩側的地方由于光生載流子的產生使得空穴濃度一直維持在108/cm3。從圖7可以看出光照時，器件柵極縱向上由于光生空穴發生了大量的碰撞電離使得空穴濃度可以維持在1013/cm3，比無光照時高了18個數量級。

圖6 AlGaN/GaN HEMT結構中空穴橫向濃度分布對比圖

圖7 漏極電壓108V情況下AlGaN/GaN HEMT結構中縱向空穴濃度分布對比圖

綜上所述，電子濃度在有光照時出現了很大數量級提升的現象，可以解釋為光生載流子的產生在柵極右側發生了碰撞電離，產生了雪崩倍增效應，使得電子濃度呈指數式地增長。

圖8為無光照時載流子電流的流向和大小情況。從圖（a）可以看出電子電流主要集中在柵漏和柵源之間，圖（b）可以看出空穴電流主要集中在柵極下方，這與前面所述的電子和空穴濃度的分布是對應的。此時電子電流為0.102A/cm2遠遠大于空穴電流的1.79×10-7A/cm2，所以無光照時器件雪崩擊穿電流主要以電子電流為主。

圖8 漏極電壓108V、無光照時電子電流（a）和空穴電流（b）的流向和大小

圖9為光照時載流子電流的流向和大小情況。從圖（a）可以看出電子電流主要集中在柵漏之間，圖（b）可以看出空穴電流集中在柵極下方，這也與前面所述的電子和空穴濃度分布是對應的。此時電子電流為2.55×103A/cm2，空穴電流為2.32×103A/cm2，所以光照時器件雪崩擊穿電流由電子電流和空穴電流共同組成。這也就解釋了有光照時的漏極電流值比無光照時高出3.6個數量級的原因。

圖9 漏極電壓108V、有光照時電子電流（a）和空穴電流（b）的流向和大小

2.3 AlGaN/GaN HEMT的響應時間

本文采用脈沖響應法對AlGaN/GaN HEMT的光電響應時間進行了分析[6]。向AlGaN/GaN HEMT結構表面上垂直入射光功率為0.01W/cm2、波長為280nm的紫外光線，其中光脈沖的上升時間和下降時間均為0.1ns。

圖10為AlGaN/GaN HEMT結構在光照開啟時的上升響應曲線，從圖中可以看出，當紫外光在時間軸0s處以1ns的速度開啟時，器件很快做出了反應，在0～5×10-5s的時間內漏極電流快速上升，然后在9×10-4s處漏極電流達到了飽和。上升時間定義為從最大電流10%上升到最大電流90%所需要的時間[7]。從圖中可知器件在4.9×10-5s時，漏極電流上升到了10%；在2.49×10-4s時，漏極電流上升到了90%，所以AlGaN HEMT器件光電響應的上升時間為0.2ms。

圖10 AlGaN/GaN HEMT結構光照開啟時的上升響應曲線

如圖11所示為AlGaN HEMT結構在光照關閉時的下降響應曲線，從圖中可以看出，當紫外光在時間軸0.01s處以1ns的速度關閉時，器件很快做出了反應，在0.1～0.01001s的時間內漏極電流快速下降，但是在0.01001s之后就開始緩慢地下降。在0.011s處漏極電流只剩下暗電流并不再下降。下降時間定義為從最大電流90%下降到最大電流10%所需要的時間[8]。從圖中標記可知器件在0.01001s時，漏極電流下降到了90%，在0.01062s時，漏極電流下降到了10%，經過計算該器件的下降時間為0.61ms。由于下降時間大于上升時間，所以器件的響應時間為0.61ms。根據截止頻率公式可以算出器件的截止頻率為580Hz。

圖11 AlGaN/GaN HEMT結構光照關閉時的下降響應曲線

3 結語

本文使用Silvaco TCAD對設計的AlGaN/GaN HEMT結構進行了光電特性的仿真，結果表明器件在柵極電壓為-8V、漏極電壓為108V時，雪崩倍增效應最明顯，放大倍數高達4000多倍。通過研究AlGaN/GaN HEMT的雪崩倍增機制得出，AlGaN/GaN HEMT器件的碰撞電離和雪崩倍增效應發生在柵極右側。無光照時，器件自身也產生了碰撞電離，但是電離出的電子空穴對很少，雪崩擊穿電流主要以電子電流為主。有光照時，在光生載流子濃度為108/cm3的基礎上，產生了大量的碰撞電離，雪崩倍增后載流子濃度達到了1013/cm3，雪崩擊穿電流由電子電流和空穴電流共同組成。最后對器件的響應時間進行了仿真和分析，仿真結果表明器件的上升時間為0.2ms，下降時間為0.61ms。因此，本文設計的AlGaN/GaN HEMT結構可以應用于雪崩型紫外光電探測器中。