朱彥旭, 李賚龍*, 白新和, 宋會(huì)會(huì) , 石 棟 , 楊 壯 , 楊 忠

(1. 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；2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 惠州分公司， 廣東 惠州 516000)

1 引 言

近年來(lái)，鐵電材料的紅外器件研究十分活躍[1-4]，由于鐵電材料具有良好的壓電、鐵電、熱釋電、光電及非線性光學(xué)特性，以及能夠與半導(dǎo)體工藝相集成等特點(diǎn)，在微電子和光電子技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，成為一種新穎的功能材料，受到人們的廣泛關(guān)注和重視[5-6]，其中，鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜是迄今為止研究最多、應(yīng)用最廣的一類鐵電薄膜材料。

PZT薄膜的反常光伏效應(yīng)在一定波長(zhǎng)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(guò)外加電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行調(diào)控，這些特點(diǎn)使其在紅外光伏探測(cè)器領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[7-9]。特別是與GaN基高電子遷移率晶體管(High electron mobility transistor，HEMT)器件相結(jié)合，由PZT薄膜的光電及熱電特性將吸收的光子轉(zhuǎn)換為電子，從而改變HEMT器件的柵壓，使輸入電流發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)輻射光探測(cè)的目的。通過(guò)鐵電材料不同性質(zhì)與GaN基HEMT器件相結(jié)合所制備的紅外探測(cè)器，其探測(cè)的紅外波段非常寬廣，從可見(jiàn)光至遠(yuǎn)紅外波段都可以探測(cè)，而且，由于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)利用自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)所形成的高密度二維電子氣(Two dimensional electrongas，2DEG)，其遷移率高達(dá)2 000 cm2/(V·s)[10]，基于該特點(diǎn)，用AlGaN/GaN HEMT器件制備的探測(cè)器不僅靈敏度高、響應(yīng)速率快，而且探測(cè)面積廣泛，可以適應(yīng)惡劣的環(huán)境。但是，GaN基HEMT器件自身的研究依然存在著很多影響器件性能的問(wèn)題[11-13]。

本文將鐵電薄膜PZT與AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)合，在HEMT器件的柵極處淀積一層導(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，成功地制備出具有光敏感柵極的HEMT器件。并使用365 nm的可見(jiàn)光測(cè)試其I-V特性，通過(guò)改變HEMT器件柵極長(zhǎng)度、柵極與漏極之間的距離等參數(shù)，分析光照后I-V曲線以及轉(zhuǎn)移曲線的變化，從而達(dá)到優(yōu)化光敏感柵極HEMT器件性能的目的。

2 感光柵極GaN HEMT器件制備與理論分析

2.1 器件制備

感光柵極HEMT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，外延片采用硅(Si)襯底AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延片，其中GaN層厚度為1.7 μm，AlGaN層厚度為20 nm。感光薄膜PZT采用鋯鈦酸鉛(PbZr0.52-Ti0.48O3)靶材，純度99.99%，直徑75 mm，厚度3 mm，銅背板厚度3 mm。器件制備工藝步驟流程圖如圖2 所示。

圖1 感光柵極 GaN HEMT 器件結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure schematic of the photosensitive gate GaN based HEMT

具體制備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(PECVD)200 nm SiO2隔離保護(hù)有源區(qū)，濺射生長(zhǎng)源漏電極(Ni/Au 50 nm/50 nm)，源漏電極退火(高純N2氣830 ℃ 30 s)，使其形成歐姆接觸，濺射生長(zhǎng)柵極電極(Ti/Pt 40 nm/200 nm)，濺射制備感光柵極薄膜PZT。使用MSP-300B全自動(dòng)磁控濺射鍍膜機(jī)，采用斜靶濺射，襯底加溫100 ℃，真空度為5×10-4Pa，工作氣體為高純Ar氣，濺射功率100 W，工作氣壓1 Pa，濺射時(shí)長(zhǎng)2 h，濺射厚度為350 nm。以650 ℃ 300 s進(jìn)行退火使PZT薄膜極化，并且使柵極電極形成肖特基接觸，而后濺射Ni/Cr(20 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(zhǎng)的光,有利于光吸收和光探測(cè)[14-15]，其中每一步電極的濺射制備與PZT薄膜的濺射制備均建立在套刻的基礎(chǔ)上。感光柵極GaN HEMT器件實(shí)物圖如圖3 所示。

圖2 感光柵電極 GaN HEMT 器件制備工藝流程圖

Fig.2 Process flow chart of photosensitive device grid electrode GaN HEMT device

圖3 感光柵極 GaN HEMT。 (a)測(cè)試樣品；(b)測(cè)試單元。

Fig.3 Photosensitive gate electrode GaN based HEMT. (a) Test sample. (b) Test cell.

2.2 理論分析

AlGaN/GaN HEMT作為一種柵控器件，由AlGaN勢(shì)壘層上的肖特基柵施加偏壓來(lái)改變耗盡區(qū)的厚度，從而控制溝道2DEG及器件的工作狀態(tài)。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處的2DEG一方面受柵極電壓的控制，一方面又非常接近表面，對(duì)表面的狀態(tài)非常敏感，因此，可以通過(guò)改變柵壓以及表面態(tài)兩種方式來(lái)調(diào)控2DEG的濃度，從而改變?cè)绰┲g的電流[16]。

HEMT器件柵極上的光感應(yīng)層PZT在受到輻射光的照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生光伏效應(yīng)，使感光層表面電荷發(fā)生變化，引起HEMT器件柵壓的變化，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)2DEG濃度的改變，使器件源漏溝道的電流發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)輻射光探測(cè)的目的。源漏溝道的電流受柵壓變化的影響，而柵長(zhǎng)的大小可以調(diào)控柵壓對(duì)溝道電流的影響。減小柵長(zhǎng)可以提高器件跨導(dǎo)，進(jìn)而提高器件的柵控能力，同時(shí)器件閾值電壓也發(fā)生變化，但是柵長(zhǎng)過(guò)短會(huì)影響柵下電勢(shì)的二維分布，并且導(dǎo)致漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)(DIBL)[17]，從而引起短溝道效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)6種器件參數(shù)，選取不同的柵長(zhǎng)、源柵與柵漏間距，在統(tǒng)一測(cè)試條件下測(cè)試其光照后的I-V特性曲線以及轉(zhuǎn)移特性曲線，分析在不同的器件參數(shù)條件下，感光柵極HEMT的光響應(yīng)變化，從而達(dá)到優(yōu)化器件性能和提高器件探測(cè)效率的目的。器件參數(shù)如表1、表2所示 。

制備的器件結(jié)構(gòu)在顯微鏡下如圖4所示。

表1不同柵長(zhǎng)的3組器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Different gate length of the three groups of device structure parameters

樣品編號(hào)柵長(zhǎng)Lg/μm柵源間距Lgs/μm柵漏間距Lgd/μmA1 34B2 34C3 34

表2不同柵漏間距的3組器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.2 Three different gate to drain pitch device structure parameters

樣品編號(hào)柵長(zhǎng)Lg/μm 柵源間距Lgs/μm 柵漏間距Lgd/μmD135E1310F1315

圖4 6組不同器件結(jié)構(gòu)的測(cè)試單元

3 結(jié)果與討論

對(duì)制備的6種不同器件參數(shù)的感光柵極GaN HEMT器件在波長(zhǎng)為365 nm的光照及無(wú)光照條件下進(jìn)行I-V特性曲線以及轉(zhuǎn)移特性曲線測(cè)試，其中Vgs為柵極電壓，Ids為漏極電流，Vds為漏極電壓。首先對(duì)不同柵長(zhǎng)的3組器件A、B、C進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)移特性中Vgs選取-4～2 V，I-V特性測(cè)試中Vds取0～15 V，Vgs取-2 V。測(cè)試所得I-V特性曲線以及轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5所示。

圖5 (a)不同柵長(zhǎng)的器件對(duì)轉(zhuǎn)移特性的影響；(b)不同柵長(zhǎng)的器件對(duì)I-V特性曲線的影響。

Fig.5 (a)Effects of different gate length devices on the transfer characteristic curve.(b)Effect of devices with different gate lengths on theI-Vcharacteristic curve.

分析圖5，其中虛線為器件A在無(wú)光條件下的曲線圖，從圖中可以明顯看出，感光柵極GaN HEMT器件在365 nm的光照射下有明顯的響應(yīng)，在漏極電壓達(dá)到10 V時(shí)，無(wú)光照時(shí)器件A的漏極飽和電流為16 mA，光照條件下提高至28 mA。分析其原因，首先為感光薄膜PZT 的光伏效應(yīng)，另外，GaN基材料禁帶寬度覆蓋從可見(jiàn)光到紫外光的范圍，365 nm的光為紫外光波段，激發(fā)了GaN基材料產(chǎn)生電子空穴對(duì)[18]。從圖5(a)中可以看出隨著柵長(zhǎng)的增大，器件的閾值電壓增大。另外從圖5(b)中可以看出漏極電壓達(dá)到10 V時(shí)，器件B、C的漏極飽和電流分別為23 mA、17 mA，隨著柵長(zhǎng)的增大，器件的漏極飽和電流減小，這是由于柵極越長(zhǎng)，柵下方耗盡層寬度越大，使該處的2DEG濃度降低，導(dǎo)致漏極電流下降。柵長(zhǎng)的增加同時(shí)又導(dǎo)致溝道電阻越來(lái)越大，載流子運(yùn)輸路徑越來(lái)越長(zhǎng),以及膝點(diǎn)電壓效應(yīng)等,這些都將導(dǎo)致漏極電流下降[19-20]。

圖6 (a)不同柵漏間距的器件對(duì)轉(zhuǎn)移特性的影響；(b)不同柵漏間距的器件對(duì)I-V特性曲線的影響。

Fig.6 (a)Influence of devices with different gates and leeds on the transfer characteristic curve. (b)Effect of different gate-drain spacing devices on theI-Vcharacteristic curve.

其次對(duì)不同柵漏間距的3組器件D、E、F在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行測(cè)試，所得I-V特性曲線以及轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6所示。

分析圖6，其中虛線為器件D在無(wú)光條件下的曲線圖，在漏極電壓達(dá)到10 V時(shí)，其漏極飽和電流為9 mA，作為與光照條件下的器件曲線的對(duì)比，顯而易見(jiàn)，器件D、E、F在波長(zhǎng)為365 nm的光照射下有明顯的響應(yīng)。從圖6(a)中可以看出，柵漏間距的變化對(duì)閾值電壓的影響并不大，當(dāng)柵極電壓持續(xù)增大時(shí)，柵漏間距較大的器件漏極電流減小，這是由于柵漏間距增大，器件的等效電阻也增大，在相同的柵極電壓下電流便減小。另外，圖6(b)中在非飽和區(qū)，器件D、E、F的輸出電流依次減小，這是由于漏極電壓較小時(shí)，GaN基HEMT器件的耗盡層可以看作阻值受柵壓控制的線性電阻器[21]，當(dāng)柵漏間距變小時(shí)，電阻越來(lái)越小，輸出電流越來(lái)越大。當(dāng)漏極電壓越來(lái)越大，在漏極電壓達(dá)到10 V時(shí)，曲線進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)器件D、E、F的飽和電流均在21 mA左右，變化并不大，這是由于漏極電壓的增大導(dǎo)致了類似于MOSFET預(yù)夾斷的現(xiàn)象，所以柵漏間距對(duì)飽和電流的影響并不大。

4 結(jié) 論

本文制備了6種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的感光柵極GaN基HEMT器件，分別選取柵長(zhǎng)為1,2,3 μm，保持源漏間距不變，分別在有光和無(wú)光條件下測(cè)試其轉(zhuǎn)移特性與I-V輸出特性曲線。發(fā)現(xiàn)在光照條件下，器件的飽和輸出電流達(dá)到28 mA，較無(wú)光條件下提高12 mA，另外，隨著柵長(zhǎng)的增大，器件的飽和輸出電流依次減小，這是由于柵長(zhǎng)的增大導(dǎo)致2DEG濃度下降以及溝道電阻的增大所引起。另外，選取柵漏間距為5,10,15 μm，保持柵長(zhǎng)與源柵間距不變，測(cè)試結(jié)果表明，有光照時(shí)器件的飽和輸出電流達(dá)到21 mA，較無(wú)光條件下提高12 mA，另外，柵漏間距的變化對(duì)閾值電壓以及飽和電流的影響并不大。因此，感光柵極GaN基HEMT器件作為一種新結(jié)構(gòu)器件對(duì)可見(jiàn)光有較高的探測(cè)效果，并且改變器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以更好地提高器件的性能以及探測(cè)效率。接下來(lái)可以從材料的結(jié)構(gòu)以及制備工藝等方面入手，進(jìn)一步探究器件對(duì)不同光波段的響應(yīng)度以及對(duì)鐵電薄膜表面產(chǎn)生的影響。