AlGaN/GaN HEMT器件的光電特性研究

葛明昌通信作者，周國(guó)友，陸志航

合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230009

0 引言

隨著紫外探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)其可作為紅外探測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充，在很多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，而紫外探測(cè)器作為其最核心的部分，被各個(gè)國(guó)家列為當(dāng)今研究發(fā)展的重要課題。在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)研究和生產(chǎn)了大量的光電探測(cè)器，最典型的代表是硅基紫外探測(cè)器，它們通常被應(yīng)用于可見(jiàn)光盲和日盲探測(cè)。然而，硅材料自身的限制也帶來(lái)了很多缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)良好的可見(jiàn)光抑制比和日光抑制比[1]。

隨著寬帶隙半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于寬禁帶半導(dǎo)體的紫外探測(cè)器成了新的發(fā)展方向。作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，GaN材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①優(yōu)異的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，這使得GaN基紫外探測(cè)器可以在惡劣的條件下工作；②可以通過(guò)改變Al元素的組分來(lái)改變AlGaN材料的禁帶寬度。相應(yīng)的截止波長(zhǎng)正好處在紫外光譜200～365nm的范圍內(nèi)[2]。因此，AlGaN是制造紫外探測(cè)器的理想材料。

但是大部分GaN基紫外光電探測(cè)器主要采用特殊的光電材料結(jié)構(gòu)和工藝流程，這樣的工藝流程往往不適合用來(lái)設(shè)計(jì)制備微弱光電信號(hào)的低噪聲放大電路[3]，從而難以做到光電探測(cè)與放大功能的單片集成。因此，本文的主要內(nèi)容就是圍繞常規(guī)非光電工藝的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件中的光調(diào)制性質(zhì)進(jìn)行研究。

1 器件結(jié)構(gòu)與模型

1.1 器件結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)雪崩倍增產(chǎn)生的條件，在海威華芯0.25μm AlGaN/GaN HEMT工藝的設(shè)計(jì)規(guī)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(jié)構(gòu)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(shì)壘層，第四層是制作在AlGaN上的三個(gè)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(zhǎng)的加速路徑，從而獲得足夠的動(dòng)能去碰撞電離。

圖1 應(yīng)用于光電探測(cè)器的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)

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(jié)果。本文所用到的幾個(gè)重要的物理模型主要有遷移率模型、碰撞電離模型和復(fù)合模型。

由于AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)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(guān)，例如電場(chǎng)、摻雜濃度、溫度、材料等。在低電場(chǎng)的情況下，載流子的速度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大而增大，但是當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到高電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，載流子的速度將達(dá)到飽和，不再隨著場(chǎng)強(qiáng)變化。因此，本文采用了Caughey和Thomas的低電場(chǎng)遷移率模型以及Canali高電場(chǎng)遷移率模型[3]。

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

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

2 仿真結(jié)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(shù)最大的漏極電壓值，需要在紫外光照射下進(jìn)行TCAD仿真。圖2為有/無(wú)光照時(shí)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(shí)，光電流與暗電流都緩慢地增長(zhǎng)，兩者處在同一數(shù)量級(jí)。但是當(dāng)漏極電壓增加到90V時(shí)，光電流開始急劇增長(zhǎng)，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(rèn)為是由于光生載流子的產(chǎn)生，導(dǎo)致雪崩擊穿的提前到來(lái)。從圖中的標(biāo)記可以看出漏極電壓為108V時(shí)，光電流比暗電流高出了3.6個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)柵極電壓為-8V、漏極電壓為108V時(shí)，AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)在光照條件下的雪崩倍增電流是無(wú)光照時(shí)的4110倍。

圖2 有/無(wú)光照時(shí)擊穿特性曲線

2.2 雪崩倍增機(jī)制

由于柵極電壓為-8V，漏極施加的高電壓會(huì)使柵極下方的耗盡層向漏極方向擴(kuò)展，所以電場(chǎng)主要集中在AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的柵極右側(cè)，如圖3所示，該處電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)107V/cm，可以判定碰撞電離和雪崩倍增發(fā)生在柵極右側(cè)。

圖3 AlGaN/GaN HEMT雪崩擊穿電場(chǎng)分布

圖4和圖5表示在有/無(wú)光照時(shí)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(tài)，所以電子濃度都很低，而由于光生載流子的產(chǎn)生，電子會(huì)向漏極流動(dòng)，所以有光照時(shí)柵極下方的電子濃度比無(wú)光照時(shí)高出23個(gè)數(shù)量級(jí)。但是由于在柵極右側(cè)發(fā)生了碰撞電離和雪崩倍增，所以柵極右側(cè)的電子濃度會(huì)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，此時(shí)有光照時(shí)的電子濃度也比無(wú)光照時(shí)高出了9個(gè)數(shù)量級(jí)。在源極和柵極之間以及靠近漏極一側(cè)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度很低，并不會(huì)發(fā)生碰撞電離，所以電子濃度不會(huì)發(fā)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(shí)電子濃度一直維持在1013/cm3，而無(wú)光照時(shí)電子濃度呈緩慢下降的趨勢(shì)并且處在1011/cm3左右。

圖4 漏極電壓108V情況下AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中橫向電子濃度分布對(duì)比圖

圖5 漏極電壓108V情況下AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中縱向電子濃度分布對(duì)比圖

圖6和圖7表示了器件在有/無(wú)光照時(shí)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(cè)的高電場(chǎng)發(fā)生了大量的碰撞電離，所以柵極右側(cè)的空穴濃度會(huì)顯著提高。由于柵極電壓為負(fù)值且空穴會(huì)通過(guò)柵極下方朝源極流動(dòng)，所以在柵極下方會(huì)積聚大量的空穴，也就導(dǎo)致此處的空穴濃度最高，有光照時(shí)的空穴濃度比無(wú)光照時(shí)高出10個(gè)數(shù)量級(jí)。而遠(yuǎn)離柵極靠近漏極的地方由于電場(chǎng)強(qiáng)度較低，并沒(méi)有發(fā)生碰撞電流，所以無(wú)光照時(shí)的空穴濃度僅為10-35/cm3。而光照時(shí)，柵極兩側(cè)的地方由于光生載流子的產(chǎn)生使得空穴濃度一直維持在108/cm3。從圖7可以看出光照時(shí)，器件柵極縱向上由于光生空穴發(fā)生了大量的碰撞電離使得空穴濃度可以維持在1013/cm3，比無(wú)光照時(shí)高了18個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6 AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中空穴橫向濃度分布對(duì)比圖

圖7 漏極電壓108V情況下AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中縱向空穴濃度分布對(duì)比圖

綜上所述，電子濃度在有光照時(shí)出現(xiàn)了很大數(shù)量級(jí)提升的現(xiàn)象，可以解釋為光生載流子的產(chǎn)生在柵極右側(cè)發(fā)生了碰撞電離，產(chǎn)生了雪崩倍增效應(yīng)，使得電子濃度呈指數(shù)式地增長(zhǎng)。

圖8為無(wú)光照時(shí)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(duì)應(yīng)的。此時(shí)電子電流為0.102A/cm2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴電流的1.79×10-7A/cm2，所以無(wú)光照時(shí)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(wú)光照時(shí)電子電流（a）和空穴電流（b）的流向和大小

圖9為光照時(shí)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(duì)應(yīng)的。此時(shí)電子電流為2.55×103A/cm2，空穴電流為2.32×103A/cm2，所以光照時(shí)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(shí)的漏極電流值比無(wú)光照時(shí)高出3.6個(gè)數(shù)量級(jí)的原因。

圖9 漏極電壓108V、有光照時(shí)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(yīng)時(shí)間

本文采用脈沖響應(yīng)法對(duì)AlGaN/GaN HEMT的光電響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了分析[6]。向AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)表面上垂直入射光功率為0.01W/cm2、波長(zhǎng)為280nm的紫外光線，其中光脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間均為0.1ns。

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

圖10 AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)光照開啟時(shí)的上升響應(yīng)曲線

如圖11所示為AlGaN HEMT結(jié)構(gòu)在光照關(guān)閉時(shí)的下降響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，當(dāng)紫外光在時(shí)間軸0.01s處以1ns的速度關(guān)閉時(shí)，器件很快做出了反應(yīng)，在0.1～0.01001s的時(shí)間內(nèi)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(shí)間定義為從最大電流90%下降到最大電流10%所需要的時(shí)間[8]。從圖中標(biāo)記可知器件在0.01001s時(shí)，漏極電流下降到了90%，在0.01062s時(shí)，漏極電流下降到了10%，經(jīng)過(guò)計(jì)算該器件的下降時(shí)間為0.61ms。由于下降時(shí)間大于上升時(shí)間，所以器件的響應(yīng)時(shí)間為0.61ms。根據(jù)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(jié)構(gòu)光照關(guān)閉時(shí)的下降響應(yīng)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用Silvaco TCAD對(duì)設(shè)計(jì)的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光電特性的仿真，結(jié)果表明器件在柵極電壓為-8V、漏極電壓為108V時(shí)，雪崩倍增效應(yīng)最明顯，放大倍數(shù)高達(dá)4000多倍。通過(guò)研究AlGaN/GaN HEMT的雪崩倍增機(jī)制得出，AlGaN/GaN HEMT器件的碰撞電離和雪崩倍增效應(yīng)發(fā)生在柵極右側(cè)。無(wú)光照時(shí)，器件自身也產(chǎn)生了碰撞電離，但是電離出的電子空穴對(duì)很少，雪崩擊穿電流主要以電子電流為主。有光照時(shí)，在光生載流子濃度為108/cm3的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了大量的碰撞電離，雪崩倍增后載流子濃度達(dá)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(duì)器件的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了仿真和分析，仿真結(jié)果表明器件的上升時(shí)間為0.2ms，下降時(shí)間為0.61ms。因此，本文設(shè)計(jì)的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于雪崩型紫外光電探測(cè)器中。