AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器室溫下響應特性的研究*

陳金龍，閻大偉，王雪敏，曹林洪，吳衛(wèi)東

(1 中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2 西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽 621900)

氫氣作為一種環(huán)境友好能源，在汽車、軍事、化工等多方面領域有著廣泛的運用。然而，由于氫氣的易燃易爆性，其安全性仍然是儲存和運用中最受關注的問題。因此，氫氣泄漏的檢測在各種氫相關的工業(yè)領域中是不可或缺的一環(huán)。

Ⅲ-Ⅴ族化合物氮化鎵具有寬禁帶、高飽和電子遷移率、高熱導率、高擊穿電壓和穩(wěn)定的物理化學性質[1-3]，這是傳統(tǒng)硅材料無法比擬的。因而，Ⅲ-Ⅴ族的氮化鎵基材料在高頻、大功率電子器件、傳感器等領域有著廣泛的應用前景[4-7]。利用GaN基材料制備的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(AlGaN/GaN HEMT)在氫氣傳感器領域已引起人們廣泛關注[8-10]。其原理是：AlGaN/GaN異質結處二維電子氣(2DEG)十分接近表面(20～30 nm)，且對表面態(tài)十分敏感，當柵極Pt與氫氣接觸后，柵極Pt對氫氣催化裂解，將其裂解為氫原子。氫原子吸附在金屬的表面，隨后通過擴散穿過催化金屬Pt到達Pt和AlGaN的界面，從而形成一個偶極子層，這個偶極子層會降低肖特基勢壘的高度，從而使AlGaN/GaN異質結處的二維電子氣(2DEG)濃度增大，引起二維電子氣濃度的變化從而改變源漏電流，通過檢測電流的變化即可監(jiān)測氫氣的濃度[11]。

AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器具有響應快、靈敏度高、且適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)勢，成為新型傳感器領域的研究熱點。Song和Liu等[12]研究了溫度對AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器響應的影響，研究表明，傳感器的響應隨著溫度的增加而增加。斯洛伐克的Ryger[13]提出了Pt/IrO2柵結構的AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器，在100 ℃下測試其氫氣響應靈敏度顯著提高，相比之前的Pt柵結構的AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器其氫氣響應靈敏度提高了12倍以上。佛羅里達大學的Lo等[14]研究表明，在濕度較大的情況下，AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器的氫氣響應靈敏度會降低，但可以獲得更好的恢復特性。然而，AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器在室溫下的運用相對較少，其理論分析還不夠完善。因此，本文在室溫下，對氫氣濃度為25～900 ppm的氫氣/氮氣混合氣體進行檢測。研究了Pt/AlGaN/GaN HEMT結構氫氣傳感器在不同柵壓下對氫氣的響應特性。

1 實 驗

實驗中使用的AlGaN/GaN外延片是利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的方法在Si襯底上生長。首先，在Si(111)面生長200 nm的AlN成核層，在AlN成核層上生長3.4 μm AlGaN緩沖層，然后在緩沖層上生長1.7 μm的非摻雜GaN材料，在非摻雜GaN材料上生長一層很薄的AlN插入層(1 nm)，接著生長25 nm的非摻雜AlGaN勢壘層，最后是5 nm的非摻雜GaN蓋帽層，AlGaN的Al組分約為25%。器件隔離采用氟離子注入，有效隔斷了器件之間的二維電子氣。歐姆接觸使用Ti/Al/Ni/Au(20/130/50/100 nm)多層金屬，在溫度為850 ℃，氮氣氣氛下退火30 s，形成良好的歐姆接觸。隨后采用電子束蒸發(fā)的方法制作10 nm厚的柵極Pt金屬，器件結構和掃描電鏡照片如圖1所示。

圖1 器件結構(a)；掃描電鏡照片(b)

測試裝置主要由混氣系統(tǒng)(DGL-III氣液混氣系統(tǒng))、Keysight B2902A數(shù)字源表和腔體組成。實驗中將器件放置在密封腔體中通過三個探針固定在樣品臺上同時實現(xiàn)電學連接。另一端連接到混氣系統(tǒng)。為達到實驗所需要的氣體濃度，目標氣體(H2)通過混氣系統(tǒng)用高純氮氣稀釋。器件的電學性能采用Keysight B2902A數(shù)字源表收集。

2 結果與討論

圖2為室溫下AlGaN/GaN HEMT氫氣傳感器在氮氣環(huán)境下測試的基本電學特性。圖2(a)為器件的輸出特性曲線，(b)為器件的轉移特性曲線。圖2(a)漏極電壓測試時的取值范圍為0～6 V，柵壓從-3.5～0.5 V，步階Vstep=0.5 V。從圖2(a)可以看出柵極電壓控制著器件源漏電流的導通與截止。當VG=-3.5 V時，器件的輸出電流(IDS)接近于0，溝道處于夾斷狀態(tài)。在不同柵極偏壓下(-3.5～0.5 V)，源漏電流隨著源漏電壓的增大先是線性增加后趨于飽和。圖2(b)為器件的轉移特性曲線，將其轉移曲線求導即可得到器件的跨導。通過所求跨導的大小可以直接反應器件柵控能力的強弱。此外，對轉移曲線與跨導曲線進行處理可以求出器件的閾值電壓。在最大跨導對應的柵極電壓處，在該點做轉移曲線的切線，該切線與電壓軸的交點即為閾值電壓，從圖2(b)中可以得出閾值電壓為-2.5 V。

圖2 輸出特性曲線(a)；轉移特性曲線(b)

圖3(a)為室溫時外加不同柵極偏壓的情況下，在0 ppm H2、25 ppm H2、900 ppm H2中的輸出特性曲線與轉移特性曲線，柵極偏壓VGS的測試范圍為-2.5～0.5 V，施加的柵極電壓步長為1 V。顯然，所有的I-V曲線都表現(xiàn)出良好的夾斷與飽和特性，這主要是器件結構中溝道對載流子的調控。在不同柵極電壓下，器件在含氫環(huán)境中都表現(xiàn)出明顯的電流變化，對氫氣有明顯的響應。

為了定量描述器件對氫氣的響應，定義靈敏度的計算公式為：

式中，IN2為器件在純氮氣下的源漏電流，IH2為在一定氫氣濃度下的源漏電流，靈敏度S為電流值相對于純氮氣環(huán)境下變化的百分比。

圖3 (a)不同柵壓下輸出特性曲線；(b)不同柵壓下氫氣響應(0～900 ppm)的靈敏度

圖3(b)為不同柵壓，不同氫氣濃度(0～900 mg/L)下器件的靈敏度在飽和區(qū)VDS=6 V時的計算結果，從圖中可以看出，隨著外加柵極偏壓的增大，傳感器在各個氫氣濃度下(25～900 mg/L)對氫氣的靈敏度減小，最大靈敏度在閾值電壓VG=-2.5 V處。在不同柵壓下器件的響應特性明顯不同，選定合適的柵壓對提高器件性能及其重要。

圖4 (a)室溫下器件在不同氫氣濃度下的輸出特性曲線(VG =-2.5 V)；(b)不同源漏電壓下氫氣(0～900 ppm)響應的靈敏度

圖4(a)為VG=-2.5 V時，在室溫下不同氫氣濃度環(huán)境下IDS隨VDS變化的輸出特性曲線。從圖中可以看出，隨著氫氣濃度從25 ppm增加至900 ppm，源漏電流IDS變大。當VDS=6 V，器件在25 ppm氫氣中的源漏電流IDS為2.227 mA，當氫氣濃度升至900 ppm時，器件的源漏電流上升到2.407 mA。圖4(b)為不同源漏電壓下不同氫氣濃度(0～900 ppm)下器件的靈敏度，隨著源漏電壓的增大(0～6 V)，器件在各個氫氣濃度(0～900 ppm)下的靈敏度均先增大后減小，結合圖4(a)可見，最大靈敏度都在膝電壓處獲得。

在室溫下，VG=-2.5 V，根據(jù)圖4(a)的數(shù)據(jù)選取飽和區(qū)VDS=6 V條件下不同氫氣濃度中所測出的電流值來計算氫氣響應靈敏度S。其計算結果如圖5(a)所示，氫氣濃度在25 ppm時傳感器具有87.1%的靈敏度，隨著氫氣濃度從25 ppm至900 ppm增加，靈敏度S也從87.1%增長至103.9%，引起的靈敏度變化為15.8%。分析表明，在25 ppm至900 ppm的濃度區(qū)間，傳感器的氫氣響應靈敏度S與其濃度的對數(shù)呈線性關系。圖5(b)為室溫下，器件對25 ppm氫氣的響應時間。對25 ppm氫氣的響應時間僅為15 s，器件具有良好的響應性能。

圖5 (a)傳感器氫氣響應的靈敏度與氫氣濃度的關系；(b)25 ppm氫氣響應時間

3 結 論

本文制備了Pt/AlGaN/GaN HEMT微型氫氣傳感器，研究了傳感器在室溫下對氫氣的響應特性。研究結果表明，隨著柵極偏置電壓的增大，器件對于氫氣響應的靈敏度減小，靈敏度的最大值在閾值電壓(VG=-2.5 V)附近取得。在VG=-2.5 V，VDS=6 V的工作偏壓下，氫氣濃度為25 ppm時，傳感器的靈敏度為87.1%，響應時間為15 s；隨著氫氣濃度從25 ppm增加到900 ppm后，傳感器靈敏度增加了15.8%，傳感器靈敏度在一定氫氣濃度區(qū)間(25～900 ppm)與氫氣濃度的對數(shù)呈線性關系。研究表明Pt/AlGaN/GaN HEMT結構的氫氣傳感器適用于室溫下氫氣檢測，且具有較高的靈敏度與快速的響應，有著廣泛的應用前景。