氮化鎵基感光柵極高電子遷移率晶體管器件設(shè)計(jì)與制備?

朱彥旭 宋會(huì)會(huì) 王岳華 李賚龍 石棟

(北京工業(yè)大學(xué),光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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

氮化鎵(GaN)及其系列材料(包括GaN,InN,AlN及其合金)被稱為第三代半導(dǎo)體,在光電子和微電子學(xué)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1?4].極化材料GaN的禁帶寬度大、耐擊穿、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.在GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件結(jié)構(gòu)中,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣(2DEG)遷移率高達(dá)2000 cm2/(V·s)[5],AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶的偏移比較大,在異質(zhì)結(jié)附近能產(chǎn)生很強(qiáng)的自發(fā)和壓電極化效應(yīng),可不需要特意摻雜便能在界面處堆積高濃度的2DEG[6],異質(zhì)結(jié)AlGaN/GaN界面處會(huì)形成一個(gè)2DEG的表面通道,勢(shì)阱中的2DEG受控于柵極電壓[7],且這層2DEG十分接近表面,對(duì)表面的狀態(tài)十分敏感.當(dāng)表面態(tài)變化時(shí),會(huì)引起2DEG濃度的變化,因此可以通過表面態(tài)的變化來調(diào)節(jié)2DEG的濃度,從而改變?cè)绰┲g的電流[8].一般意義上的光探測器指從紫外到紅外的器件,且被廣泛的應(yīng)用于軍事、成像技術(shù)以及光通信等[9?12].目前GaN光探測器主要分為三種:光電導(dǎo)型、p-n結(jié)型和肖特基結(jié)型[13].利用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT器件制備的傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、探測面廣、適用于惡劣環(huán)境的優(yōu)勢(shì),成為新型傳感探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[14],且與功能薄膜結(jié)合可達(dá)到不同探測機(jī)理并可實(shí)現(xiàn)更廣的探測面成為一種新趨勢(shì).

鋯鈦酸鉛是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的二元系固溶體,其化學(xué)式為Pb(ZrxTi1?x)O3,簡稱PZT.它是鐵電體里最具代表性的一種功能材料,因其優(yōu)越的鐵電、壓電、熱釋電特性,以及能夠與半導(dǎo)體工藝相集成等特點(diǎn),近幾十年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,成為國際上一種新穎的功能材料[15].鐵電薄膜PZT的反常光伏效應(yīng)在一定波長的光照下可以產(chǎn)生穩(wěn)定的光誘導(dǎo)電流和遠(yuǎn)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(yīng)可以通過外加電場來進(jìn)行調(diào)控,這些特點(diǎn)使其在紫外光伏探測器[16?18]有廣泛的應(yīng)用前景.將鐵電薄膜與HEMT器件結(jié)合,在HEMT柵位置處淀積了一層導(dǎo)電金屬電極,其上淀積一定厚度具有光伏效應(yīng)的敏感單元PZT.HEMT與PZT的結(jié)合將融合各自的優(yōu)點(diǎn),以新的探測機(jī)制,為光探測提供了新的研究方向,具有重要的研究意義.

2 感光柵極的GaN基HEMT器件制備

GaN基HEMT是一種典型的柵控器件,根據(jù)其原理可以人為改變柵極附加電壓或者外界轉(zhuǎn)換附加電壓以達(dá)到輸出源漏之間電流的改變.HEMT與PZT結(jié)合,在HEMT金屬柵極上淀積一層鐵電薄膜PZT作為光感應(yīng)層,即感光柵極.上電極制備的目的是為了極化PZT,并用于后續(xù)探針接觸測試.當(dāng)光輻射到柵極上時(shí),光感應(yīng)層PZT產(chǎn)生光伏效應(yīng),從而引起感光層表面電荷的變化,進(jìn)而引起半導(dǎo)體內(nèi)2DEG的變化,使輸入電流發(fā)生變化,達(dá)成對(duì)輻射光的探測.感光柵極HEMT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,其中柵源間距Lgs=15μm,柵漏間距Lgd=21μm,柵長L=4μm.

圖1 感光柵電極GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The structure schematic of the GaN base HEMT device.

感光柵極的GaN基HEMT器件工藝主要包括光刻套刻器件結(jié)構(gòu),反應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕出有源區(qū)臺(tái)面,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積SiO2隔離保護(hù)有源區(qū),源漏歐姆電極濺射淀積,源漏電極退火形成歐姆接觸,柵極肖特基電極濺射淀積,濺射制備感光柵極薄膜PZT及其上電極.器件具體工藝步驟的流程圖如圖2所示.

圖2 感光柵電極GaN基HEMT器件制備工藝流程Fig.2.The process of preparation process of the grating electrode GaN base HEMT device.

實(shí)驗(yàn)采用鋯鈦酸鉛(PbZr0.52Ti0.48O3)靶材,純度99.99%,直徑60 mm,綁定銅背板后厚度為5.5 mm,外延片采用蘇州精湛半導(dǎo)體有限公司的藍(lán)寶石(Al2O3)襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延片.使用北京創(chuàng)世威納科技有限公司MSP-300B全自動(dòng)磁控濺射鍍膜機(jī)在HEMT器件的柵極上沉積了感光單元PZT薄膜,其優(yōu)點(diǎn)在于:設(shè)備簡單易于操作,鍍膜面積大且附著力強(qiáng),易于控制薄膜厚度,可以高溫低氣壓下進(jìn)行高速濺射,薄膜質(zhì)量好較致密,而且易于集成在微電子器件上[19].采用斜靶濺射,襯底加溫300°C,真空度為5×10?4/Pa,工作氣氛Ar/O2比例為40 sccm:3.6 sccm,濺射功率65 W,工作氣壓0.8 Pa,濺射2 h,濺射厚度為242 nm(紅色區(qū)域?yàn)镻ZT覆蓋面積).以650°C-3 min進(jìn)行退火晶化,后濺射Ni/Cr(30 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[20,21].感光柵電極GaN基HEMT器件實(shí)物圖如圖3所示.

圖3 感光柵電極GaN基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.

3 測試分析

首先對(duì)無感光柵極的藍(lán)寶石襯底GaN基HEMT基本結(jié)構(gòu)器件在暗場、可見光(普通光源)及紫外光下分別進(jìn)行測試,然后對(duì)有感光柵極的藍(lán)寶石襯底的GaN基HEMT基本結(jié)構(gòu)器件在暗場、可見光及紫外光下分別進(jìn)行測試.統(tǒng)一測試條件:Vds取0—15 V電壓,分別加三組Vgs電壓為?3,?2.5,?2 V(測試圖4—圖7中w-Vgs是指無光條件下的柵電壓,k-Vgs是指可見光條件下的柵電壓,z-Vgs是指紫外光條件下的柵電壓),得到電流輸出特性曲線,發(fā)現(xiàn)該器件對(duì)365 nm的紫外光和可見光都有一定的響應(yīng).

3.1 無感光柵極藍(lán)寶石襯底HEMT器件測試

圖4是藍(lán)寶石襯底無感光柵電極HEMT的可見光及暗場對(duì)比輸出特性曲線.從圖4得到,可見光可以改變飽和源漏電壓,使之提前達(dá)到飽和,其中減小飽和漏源電壓最大幅值約為3 V;Vgs為?2 V時(shí),源漏飽和電流約增加0.5 mA;在Vgs為?2.5 V時(shí),源漏飽和電流約增加0.6 mA;在Vgs為?3 V時(shí),源漏飽和電流略有增加,基本持平.圖5是藍(lán)寶石襯底無感光柵電極HEMT的紫外光及暗場對(duì)比輸出特性曲線.從圖5得到,紫外光也可以改變飽和源漏電壓,使之提前達(dá)到飽和,其中減小飽和漏源電壓最大幅值約為4 V;在Vgs為?2 V時(shí),源漏飽和電流約增加2 mA;在Vgs為?2.5 V時(shí),源漏飽和電流約增加1.3 mA;在Vgs為?3 V時(shí),源漏飽和電流約增加1 mA.圖4和圖5中在暗場下測試?3 V條件下出現(xiàn)反常的輸出曲線,這一物理現(xiàn)象和機(jī)理解釋尚不明確,有待進(jìn)一步研究.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)藍(lán)寶石襯底無感光柵電極HEMT的可見光及暗場對(duì)比輸出特性曲線Fig.4.(color online)Visible light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with no light-grating electrode.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)藍(lán)寶石襯底無感光柵電極HEMT的紫外光及暗場對(duì)比輸出特性曲線Fig.5.(color online)Ultraviolet light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with no light-grating electrode.

綜上測試結(jié)果顯示藍(lán)寶石襯底的無光柵HEMT器件對(duì)可見光及紫外光有較好的響應(yīng),減小了飽和漏源電壓,并增加了飽和漏電流Ids,其中紫外光響應(yīng)更明顯,這是由于紫外光能激發(fā)Al-GaN/GaN材料產(chǎn)生了電子空穴對(duì)[22].器件的漏極電流達(dá)到飽和后會(huì)略微下降是由于自熱效應(yīng)增強(qiáng)了晶格無序散射并導(dǎo)致溝道電子遷移率下降[23].

3.2 有感光柵極藍(lán)寶石襯底HEMT器件測試

圖6是藍(lán)寶石襯底有感光柵電極HEMT在可見光及暗場對(duì)比輸出特性曲線.從圖中得到可見光可以改變飽和源漏電壓,使之提前達(dá)到飽和,其中減小飽和源漏電壓最大幅值約為4.5 V;在Vgs為?2 V時(shí),源漏飽和電流約增加0.5 mA;在Vgs為?2.5 V時(shí),源漏飽和電流約增加0.6 mA;在Vgs為?3 V時(shí),源漏飽和電流約增加0.5 mA;圖7是藍(lán)寶石襯底有感光柵電極HEMT在紫外光及暗場對(duì)比輸出特性曲線.從圖7得到,紫外光可以改變飽和源漏電壓,使之提前達(dá)到飽和,其中減小飽和源漏電壓最大幅值約為5 V;在Vgs為?2 V時(shí),源漏飽和電流約增加6 mA;在Vgs為?2.5 V時(shí),源漏飽和電流約增加6.5 mA;在Vgs為?3 V時(shí),源漏飽和電流約增加6 mA.特別是在紫外光下有較好的響應(yīng),減小了飽和漏源電壓,并增加了飽和漏電流Ids,圖8可以解釋這一現(xiàn)象.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)藍(lán)寶石襯底有感光柵電極HEMT的可見光及暗場對(duì)比輸出特性曲線Fig.6.(color online)Visible light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with a grating electrode.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)藍(lán)寶石襯底有感光柵電極HEMT的紫外光及暗場對(duì)比輸出特性曲線Fig.7.(color online)Ultraviolet light and dark output characteristic curves of the HEMT on sapphire substrate with a grating electrode.

當(dāng)光照在鐵電薄膜上時(shí),在疇壁內(nèi)激發(fā)出空穴-電子對(duì),迅速被鐵電體內(nèi)的極化電場拉開,向兩邊疇壁漂移并在疇壁處積累.這個(gè)過程和p-n結(jié)的光伏效應(yīng)機(jī)制很像,不同的是鐵電薄膜內(nèi)疇壁間的電場遠(yuǎn)高于p-n結(jié)內(nèi)的自建電場,同時(shí)這種疇壁間的內(nèi)建電場遍布整個(gè)鐵電薄膜內(nèi),以鐵電疇壁內(nèi)的電場代替p-n結(jié)的自建電場,光照射到鐵電薄膜上將大大提高鐵電薄膜的光伏電壓,鐵電薄膜的禁帶寬度在紫外波段處,所以就對(duì)紫外光響應(yīng)最大[24].綜上測試結(jié)果顯示藍(lán)寶石襯底的有感光柵HEMT器件在可見光和紫外光下,特別是在紫外光下源漏飽和電流增加6.5 mA時(shí),響應(yīng)更是明顯.

圖8 光照下鐵電疇分離電子-空穴對(duì)模型Fig.8.Electron-hole pair model of ferroelectric domain separation under illumination.

4 結(jié) 論

本文對(duì)比了有/無感光柵GaN基HEMT感光測試結(jié)果,得到可見光條件下,兩者的源漏飽和電流最大增幅一致,前者較后者沒有下降;紫外光條件下,前者較后者的源漏飽和電流最大增幅是5.2 mA.可見光下沒有減少,紫外光下有明顯增加,說明感光柵PZT在可見光及紫外光下有作用于藍(lán)寶石襯底的GaN基HEMT器件,并有調(diào)控溝道電流的趨勢(shì).這是因?yàn)橐罁?jù)GaN基HEMT器件的基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn),在其金屬柵極上淀積一層鐵電薄膜PZT作為光感應(yīng)層,當(dāng)光輻射到柵極上時(shí),光感應(yīng)層PZT由于光伏效應(yīng)產(chǎn)生的附加電場作用于2DEG,通過調(diào)節(jié)溝道的寬窄,使輸出電流發(fā)生變化.由此可見,提出的新結(jié)構(gòu)器件——感光柵極GaN基HEMT器件能夠?qū)梢姽夂妥贤夤膺M(jìn)行更好的探測.下一步將從材料結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)和制備工藝等方面入手,進(jìn)一步探究器件在寬波段的響應(yīng)度及對(duì)鐵電薄膜表面產(chǎn)生的影響.感謝北京工業(yè)大學(xué)鄒恕德研究員的討論.

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