AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管溫度傳感器特性*

劉旭陽 張賀秋 李冰冰 劉俊 薛東陽 王恒山 梁紅偉 夏曉川

(大連理工大學微電子學院, 大連 116024)

本文制作了基于無柵AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管結構的溫度傳感器, 并對其溫度相關的電學特性進行了表征.實驗測試了器件從50 ℃到400 ℃的變溫電流-電壓特性, 研究了器件靈敏度隨著器件溝道長寬比的變化, 并研究了在300—500 ℃高溫的空氣和氮氣中經過1 h恒溫加熱后器件的電學特性變化.理論與實驗研究結果表明, 隨著器件溝道長寬比的增大, 器件的靈敏度會隨之上升; 在固定電流0.01 A下, 器件電壓隨溫度變化的平均靈敏度為44.5 mV/℃.同時, 穩定性實驗顯示器件具有較好的高溫保持穩定性.

1 引 言

溫度傳感器是應用最廣泛的傳感器之一.隨著科技的不斷發展, 溫度傳感器在醫學、工業、航空及民用領域都得到了廣泛的應用.與傳統的溫度傳感器如熱電阻、熱電偶傳感器相比, 半導體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強等諸多優點, 無論輸出信號是電壓、電流還是頻率, 在一定的溫度范圍內都可與溫度成線性關系[1].

然而在高溫測量領域中, 使用傳統的半導體材料制作的溫度傳感器已經逐漸不能滿足社會對它的需求.例如當涉及高熱預算時, Si的半導體特性會發生變化, 從而使得大部分Si基器件的工作溫度不適合超過150 ℃[2,3].GaN材料具有優良的特性: 大禁帶寬度、高電子飽和速率和高擊穿電場;制作的器件具有良好的電學特性: 高擊穿電壓和低的漏電流等, 可以在高溫、高壓、高頻與強輻照的環境中工作[4,5].GaN基器件的工作溫度可以達到600 ℃ 以上, 這是傳統 Si材料器件無法比擬的.而與其他的一些半導體溫度傳感器相比, GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)溫度傳感器的主要優勢是由于高的二維電子氣(2DEG)濃度和高的載流子遷移率[6,7]帶來的高靈敏度.由于近年來GaN基器件的快速發展, GaN基HEMT溫度傳感器在航空航天、化學工業、礦物開采加工等領域也有著廣泛的應用前景.

2014年, Kwan等[8]展示了利用單片集成的GaN器件得到了高度線性的溫度-電壓關系.2016年, Rao等[9]設計并制造了一個基于4H-SiC的p-i-n二極管溫度傳感器, 測量溫度高達300 ℃,最大靈敏度為 2.66 mV/℃.2017年, Matthus等[10]制造的4H-SiC p-i-n二極管具有4.5 mV/℃的極高靈敏度, 測溫范圍為室溫到 460 ℃.同年,Madhusoodhanan等[11]制作了GaN-on-SiC異質結二極管并在室溫到400 ℃進行了測試, 靈敏度最高為 2.25 mV/℃.2019年, Pristavu 等[12]制備了Ni/4H-SiC肖特基二極管溫度傳感器, 并在室溫到450 ℃內進行了測試, 器件表現出了穩定的靈敏度 (最高 2.33 mV/℃)和出色的線性度.表1列出了近年來發表的一些高溫半導體溫度傳感器的器件參數.

表1 一些不同結構的半導體高溫溫度傳感器Table 1.Some semiconductor high temperature sensors in various structures.

本文設計并制造了無柵AlGaN/GaN HEMT溫度傳感器, 并對其特性進行了表征, 這在目前發表的一些GaN HEMT器件相關的文章中是很少見的.該器件由具有GaN帽層的AlGaN/GaN異質結構材料制備而成.文中給出了器件隨溫度變化的輸出特性曲線, 并利用實驗與理論分析結合的方式給出了器件靈敏度隨溝道長度的變化關系, 同時研究了器件的高溫保持穩定性.

2 實 驗

2.1 材料的生長與器件的制備

實驗中使用的AlGaN/GaN異質結材料是在藍寶石襯底上外延生長的, 外延層從下至上包括大于 1 μm 的 GaN 緩沖層, 大于 150 nm 的 GaN 溝道層, 20 nm 的 Al0.25Ga0.75N 層和 2.5 nm 的 GaN帽層.經室溫下的霍爾測試得到: 外延片的方塊電阻為 300 Ω/□, 2DEG 濃度為 1.4 × 1013cm–2, 霍爾 遷 移 率 為 1350 cm2/(V·s).器 件 結 構 為 無 柵HEMT結構.用熱蒸發的方法制備了Ti/Al/Ni/Au (20 nm/100 nm/50 nm/100 nm)源漏電極, 電極形狀為直徑0.8 mm的圓形, 在N2氛圍下830 ℃退火50 s形成了歐姆接觸.器件結構示意圖如下圖1所示.

圖1 器件結構示意圖Fig.1.Schematic diagram of the device structure.

2.2 測試與表征

實驗中利用kethely2611源表對器件的電學特性進行了測試.使用HP-1010加熱臺為器件加熱,在50—400 ℃范圍內測試器件的變溫電流-電壓(I-V)特性.在研究器件的高溫保持穩定性過程中,將器件在管式爐中分別加熱到 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃并保持1 h, 比較了加熱前后樣品電學特性的變化.

3 結果與分析

3.1 HEMT器件的電流電壓特性與溫度關系的理論模型

對HEMT器件, 在漏源之間施加電壓后, 設沿溝道方向電勢為V(x), 則有

其中 e 為電子電量, ns為 2DEG 的濃度, ε0為真空介電常數, εAlGaN為AlGaN層的相對介電常數,m為鋁組分, T為開氏溫度, dAlGaN為AlGaN層的厚度, VG為柵壓(下文的計算中認為柵壓為0).因此

其中μ為2DEG的遷移率, VT閾值電壓是一個與m和T有關的量, 對(2)式兩端由源端向漏端積分, 即可得到

其中W為溝道的寬度, 與電極的寬度一致, L為溝道長度.在線性區, 即 VDS? (VG?VT) 時, 可以簡化為

在保持恒流的模式下, (5)式兩邊對溫度T求導, 即得到器件電壓隨溫度變化的電壓靈敏度的公式:

因此, 在線性區, 鋁組分固定的情況下, 器件的I-V特性變化主要與μ, d, 以及VT隨溫度的變化有關, 而其本質上就是由于GaN基材料禁帶寬度以及2DEG的遷移率[13]與濃度隨溫度的變化.溫度升高過程中, 由于AIGaN和GaN的熱膨脹系數不同, 造成AlGaN層勢壘層應變能減小, 從而導致極化電荷面密度和極化電場減小, 對2DEG的限制作用降低.此外, 隨溫度上升, 電子熱激發能(KbT)增大, 三角形勢阱中的2DEG電子熱激發到更高能態的幾率增大, 2DEG電子體系的量子特征也會減弱.而遷移率則是由于極化庫倫場散射在AlGaN/GaN HEMT器件中所起的作用, 呈現出隨溫度的升高而下降的趨勢[14].

當器件在線性區時, 遷移率隨溫度的變化可以用下述公式來簡單描述[15]:

而閾值電壓VT隨溫度的變化則可以由下面公式計算[15,16]:

其 中 μT與 μ300 K分 別 為 溫 度 T 和 300 K 下2DEG 的遷移率, φB為肖特基勢壘高度, ΔEc為AlGaN/GaN界面處的導帶差, σpz為極化電荷面密度, Nd為 AlGaN 層的摻雜濃度,和分別為AlGaN, GaN和AlN的禁帶寬度.

利用上述模型對器件特性隨溫度變化進行了模擬計算, 考慮到材料的晶格常數隨溫度的變化較小(小于千分之一)[17], 因此計算中忽略了溫度對AlGaN層厚度以及極化電荷面密度的影響, 表2中為擬合中一些參數的設定.圖2為器件的理論模擬結果, 可以看出固定電流 (0.01 A)的情況下, 器件兩端電壓隨溫度不是線性變化的, 而使用E指數擬合方法可以很好的對器件電壓隨溫度的變化進行擬合.

表2 擬合參數列表Table 2.List of fitting parameters.

圖2 HEMT器件兩端電壓在電流固定時隨溫度的變化Fig.2.The voltage change across the HEMT device with temperature when the current is fixed.

3.2 實驗研究

圖3顯示了HEMT器件在50—400 ℃范圍內不同溫度下的I-V特性曲線, 可以看出隨著溫度的升高, 漏電流隨之逐漸降低, 這與相關文獻中報導的結果相符[18,19].為了獲得更高的器件靈敏度,也考慮到分立器件對于功耗沒有十分嚴苛的要求,固定電流選擇了盡可能大的0.01 A.圖4顯示了器件在0.01 A時兩端壓降隨溫度的變化及E指數的擬合曲線, 由圖中的數據可以計算得到擬合優度R2[20]以評估實驗測量值與其擬合值之間的一致性, E指數方法擬合的擬合優度R2為0.992, 這也驗證了前文理論推導的結果.通過對電壓-溫度關系的E指數擬合曲線求導后再積分取均值計算得出, 器件的平均靈敏度為 44.5 mV/℃.

由(6)式可推知, 改變器件的L/W可以使器件的靈敏度隨之變化, 隨著L/W的增加, 器件的靈敏度也會隨之增加, 而實驗結果也證明了這一點.如圖5所示, HEMT溫度傳感器溝道長度從1.5 mm 增 加 為 2.3 mm 時 , L/W 變 為 原 來 的1.53倍, 靈敏度也變為原來的1.39倍; 溝道長度從 2.3 mm 增加為 4.5 mm 時, L/W 變為原來的1.96倍, 靈敏度也變為原來的1.59倍.

圖3 HEMT 器件在 50?400 ℃ 下的 I-V 特性曲線Fig.3.I-V characteristic curve of HEMT device at 50?400 °C.

圖4 固定電流 (0.01 A) 下電壓隨溫度的變化曲線與其擬合曲線Fig.4.Curve and fitting curve of voltage changes with temperature at fixed current (0.01 A).

本文還研究了器件的高溫保持穩定性問題.圖6與圖7分別顯示了器件在N2氛圍和空氣氛圍中的高溫保持穩定性, 分別測試了器件在300 ℃,400 ℃和 500 ℃下保持1 h后的 I-V特性變化.可以看出器件在高溫下保持1 h后電學特性的變化范圍在10%以內, 器件具有較好的高溫保持穩定性.器件性能的變化可能是由于熱載流子效應或是金屬電極與材料的相互擴散引起的[21,22], 具體的變化機制還需要進一步研究.

圖5 器件靈敏度隨溝道長度的變化Fig.5.Device sensitivity as a function of channel length.

圖6 器件在 N2 氛圍中的高溫保持穩定性Fig.6.Temperature stability of the device in N2 atmosphere.

圖7 器件在空氣氛圍中的高溫保持穩定性Fig.7.Temperature stability of the device in an air atmosphere.

4 結 論

使用熱蒸發方法制備了無柵AlGaN/GaN HEMT溫度傳感器并對器件的變溫輸出特性進行了測試.實驗顯示器件在固定電流0.01 A時電壓隨溫度的變化可以用E指數模型對其進行很好的擬合, 與理論分析結果相一致.器件尺寸在 6.1 mm ×0.8 mm 時的靈敏度可以達到 44.5 mV/℃.改變器件的溝道長寬比L/W可以對器件的靈敏度進行調整, 靈敏度會隨著L/W的增加而增大.器件長時間處在300 ℃以上的高溫空氣和氮氣氛圍后電學特性變化不大, 具有較好的高溫保持穩定性.