氮化鎵基感光柵極高電子遷移率晶體管器件設計與制備?

朱彥旭 宋會會 王岳華 李賚龍 石棟

(北京工業大學,光電子技術教育部重點實驗室,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)被稱為第三代半導體,在光電子和微電子學領域都有著重要的應用價值和廣闊的應用前景[1?4].極化材料GaN的禁帶寬度大、耐擊穿、化學性質穩定.在GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件結構中,AlGaN/GaN異質結界面處的二維電子氣(2DEG)遷移率高達2000 cm2/(V·s)[5],AlGaN/GaN異質結結構導帶的偏移比較大,在異質結附近能產生很強的自發和壓電極化效應,可不需要特意摻雜便能在界面處堆積高濃度的2DEG[6],異質結AlGaN/GaN界面處會形成一個2DEG的表面通道,勢阱中的2DEG受控于柵極電壓[7],且這層2DEG十分接近表面,對表面的狀態十分敏感.當表面態變化時,會引起2DEG濃度的變化,因此可以通過表面態的變化來調節2DEG的濃度,從而改變源漏之間的電流[8].一般意義上的光探測器指從紫外到紅外的器件,且被廣泛的應用于軍事、成像技術以及光通信等[9?12].目前GaN光探測器主要分為三種:光電導型、p-n結型和肖特基結型[13].利用AlGaN/GaN異質結HEMT器件制備的傳感器具有靈敏度高、響應快、探測面廣、適用于惡劣環境的優勢,成為新型傳感探測領域的研究熱點[14],且與功能薄膜結合可達到不同探測機理并可實現更廣的探測面成為一種新趨勢.

鋯鈦酸鉛是ABO3型鈣鈦礦結構的二元系固溶體,其化學式為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,因其優越的鐵電、壓電、熱釋電特性,以及能夠與半導體工藝相集成等特點,近幾十年來受到國內外學者的廣泛關注,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,這些特點使其在紫外光伏探測器[16?18]有廣泛的應用前景.將鐵電薄膜與HEMT器件結合,在HEMT柵位置處淀積了一層導電金屬電極,其上淀積一定厚度具有光伏效應的敏感單元PZT.HEMT與PZT的結合將融合各自的優點,以新的探測機制,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,根據其原理可以人為改變柵極附加電壓或者外界轉換附加電壓以達到輸出源漏之間電流的改變.HEMT與PZT結合,在HEMT金屬柵極上淀積一層鐵電薄膜PZT作為光感應層,即感光柵極.上電極制備的目的是為了極化PZT,并用于后續探針接觸測試.當光輻射到柵極上時,光感應層PZT產生光伏效應,從而引起感光層表面電荷的變化,進而引起半導體內2DEG的變化,使輸入電流發生變化,達成對輻射光的探測.感光柵極HEMT的結構示意圖如圖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器件結構示意圖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SiO2隔離保護有源區,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.

實驗采用鋯鈦酸鉛(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體有限公司的藍寶石(Al2O3)襯底AlGaN/GaN異質結外延片.使用北京創世威納科技有限公司MSP-300B全自動磁控濺射鍍膜機在HEMT器件的柵極上沉積了感光單元PZT薄膜,其優點在于:設備簡單易于操作,鍍膜面積大且附著力強,易于控制薄膜厚度,可以高溫低氣壓下進行高速濺射,薄膜質量好較致密,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(紅色區域為PZT覆蓋面積).以650°C-3 min進行退火晶化,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

首先對無感光柵極的藍寶石襯底GaN基HEMT基本結構器件在暗場、可見光(普通光源)及紫外光下分別進行測試,然后對有感光柵極的藍寶石襯底的GaN基HEMT基本結構器件在暗場、可見光及紫外光下分別進行測試.統一測試條件: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,發現該器件對365 nm的紫外光和可見光都有一定的響應.

3.1 無感光柵極藍寶石襯底HEMT器件測試

圖4是藍寶石襯底無感光柵電極HEMT的可見光及暗場對比輸出特性曲線.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,源漏飽和電流約增加0.5 mA;在Vgs為?2.5 V時,源漏飽和電流約增加0.6 mA;在Vgs為?3 V時,源漏飽和電流略有增加,基本持平.圖5是藍寶石襯底無感光柵電極HEMT的紫外光及暗場對比輸出特性曲線.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,源漏飽和電流約增加2 mA;在Vgs為?2.5 V時,源漏飽和電流約增加1.3 mA;在Vgs為?3 V時,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條件下出現反常的輸出曲線,這一物理現象和機理解釋尚不明確,有待進一步研究.

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

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

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

3.2 有感光柵極藍寶石襯底HEMT器件測試

圖6是藍寶石襯底有感光柵電極HEMT在可見光及暗場對比輸出特性曲線.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,源漏飽和電流約增加0.5 mA;在Vgs為?2.5 V時,源漏飽和電流約增加0.6 mA;在Vgs為?3 V時,源漏飽和電流約增加0.5 mA;圖7是藍寶石襯底有感光柵電極HEMT在紫外光及暗場對比輸出特性曲線.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,源漏飽和電流約增加6 mA;在Vgs為?2.5 V時,源漏飽和電流約增加6.5 mA;在Vgs為?3 V時,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,減小了飽和漏源電壓,并增加了飽和漏電流Ids,圖8可以解釋這一現象.

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

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

當光照在鐵電薄膜上時,在疇壁內激發出空穴-電子對,迅速被鐵電體內的極化電場拉開,向兩邊疇壁漂移并在疇壁處積累.這個過程和p-n結的光伏效應機制很像,不同的是鐵電薄膜內疇壁間的電場遠高于p-n結內的自建電場,同時這種疇壁間的內建電場遍布整個鐵電薄膜內,以鐵電疇壁內的電場代替p-n結的自建電場,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,所以就對紫外光響應最大[24].綜上測試結果顯示藍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,響應更是明顯.

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

4 結 論

本文對比了有/無感光柵GaN基HEMT感光測試結果,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寶石襯底的GaN基HEMT器件,并有調控溝道電流的趨勢.這是因為依據GaN基HEMT器件的基本結構和優點,在其金屬柵極上淀積一層鐵電薄膜PZT作為光感應層,當光輻射到柵極上時,光感應層PZT由于光伏效應產生的附加電場作用于2DEG,通過調節溝道的寬窄,使輸出電流發生變化.由此可見,提出的新結構器件——感光柵極GaN基HEMT器件能夠對可見光和紫外光進行更好的探測.下一步將從材料結構、器件結構和制備工藝等方面入手,進一步探究器件在寬波段的響應度及對鐵電薄膜表面產生的影響.感謝北京工業大學鄒恕德研究員的討論.

[1]Gu W P,Hao Y,Zhang J C,Wang C,Feng Q,Ma X H 2009Acta Phys.Sin.58 511(in Chinese)[谷文萍,郝躍,張進城,王沖,馮倩,馬曉華2009物理學報58 511]

[2]Hu W D,Chen X S,Quan Z J,Zhang M X,Huang Y,Xia C S,Lu W,Ye D P 2007J.Appl.Phys.102 034502

[3]Zhou Z T,Guo L W,Xing Z G,Ding G J,Tan C L,Lü L,Liu J,Liu X Y,Jia H Q,Chen H,Zhou J M 2007Acta Phys.Sin.56 6013(in Chinese)[周忠堂,郭麗偉,邢志剛,丁國建,譚長林,呂力,劉建,劉新宇,賈海強,陳弘,周均銘2007物理學報56 6013]

[4]Zhou M,Li C Y,Zhao D G 2015Chin.J.Lumin.36 1034(in Chinese)[周梅,李春燕,趙德剛 2015發光學報36 1034]

[5]Matsunaga T,Hosokawa T,Umetani Y,Takayama R,Kanno I 2002Phys.Rev.B66 064102

[6]Ambacher O,Foutz B,Smart J,Shealy J R,Weimann N G,Chu K,Murphy M,Sierakowski A J,SchaffW J,Eastman L F,Dimitrov R,Mitchell A,Stutzmann M 2000Appl.Phys.87 334

[7]Lin Z J,Lu W,Lee J 2003Appl.Phys.Lett.82 4364

[8]Yu N,Wang H H,Liu F F,Du Z J,Wang Y H,Song H H,Zhu Y X,Sun J 2015Chin.J.Lumin.36 1178(in Chinese)[于寧,王紅航,劉飛飛,杜志娟,王岳華,宋會會,朱彥旭,孫捷2015發光學報36 1178]

[9]Zheng K 2016M.S.Thesis(Hefei:Hefei University of Technology)(in Chinese)[鄭坤 2016碩士學位論文 (合肥:合肥工業大學)]

[10]Gao Q N,Zhu Y,Wang J G,Yang J H 2016Proceedings of the 14th International Asia Confererece on Industrial Engineering and Management InnovationTianjin,China,July 25–26,2015 p297

[11]Fu H,Yang L,Shang Z G,Yang Y P 2013Electronics World Infrared Light Communication Device18 116(in Chinese)[付輝,陽璐,尚治國,楊櫟平 2013電子世界 18 116]

[12]Xu K,Xu C,Guo W,Xie Y Y 2016Semicond.Photoelectr.1 30(in Chinese)[許坤,徐晨,郭旺,解意洋 2016半導體光電1 30]

[13]Zhang H B,Yao J D,Shao J M,Li H,Li S W,Bao D H,Wang C X,Yang G W 2014Sci.Rep.4 5876

[14]Wang Z J,Chu J R,Maeda R,Kokawaa H 2002Thin Solid Films416 66

[15]Zhu Y X,Wang Y H,Song H H,Li L L,Shi D 2016Chin.J.Lumin.37 1545(in Chinese)[朱彥旭,王岳華,宋會會,李萊龍,石棟2016發光學報37 1545]

[16]Yang B,Liu X X,Li H 2015Acta Phys.Sin.64 038807(in Chinese)[楊彪,劉向鑫,李輝 2015物理學報 64 038807]

[17]Frunza R,Ricinschi D,Gheorghiu F 2011J.Alloys Compd.509 6242

[18]Li F 2015M.S.Thesis(Harbin:Harbin Institute of Technology)(in Chinese)[李飛2015碩士學位論文 (哈爾濱:哈爾濱工業大學)]

[19]Li J H 2009M.S.Thesis(Shanxi:North University of China)(in Chinese)[李珺泓2009碩士學位論文(山西:中北大學)]

[20]Wang C,Zhang J C,Hao Y,Yang Y 2006Chin.J.Semicond.27 1436(in Chinese)[王沖,張進城,郝躍,楊燕2006半導體學報27 1436]

[21]Neamen D H(translated by Zhao Y Q,Yao S Y,Xie X D)2010Semiconductor Physics and Devices:Basic Principles(Beijing:Electronics Industry Press)p211,212(in Chinese)[尼曼 D H 著 (趙毅強,姚素英,解曉東譯)2010半導體物理與器件(北京:電子工業出版社)第211,212頁]

[22]Qiao H,Yuan J,Xu Z Q,Che C Y,Lin S H,Wang Y S,Song J C,Liu Y,Khan Q,Hoh H Y,Pan C X,Li S J,Bao Q L 2015ACS Nano9 1886

[23]Liu Y H,Cao W,Li S J,Li Y,Sun S C,Fu K,Chen C Q,Zhang B S 2015Chin.J.Lumin.36 1167(in Chinese)[劉翌寒,曹偉,李紹娟,李洋,孫世闖,付凱,陳長清,張寶順2015發光學報36 1167]

[24]Sun Q 2012M.S.Thesis(Shanghai:East China Normal University)(in Chinese)[孫倩 2012碩士學位論文 (上海:華東師范大學)]