基于AlGaN_GaN_H...O纳米线感光栅极光电探测器_朱彦旭.pdf
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1、第 49 卷 第 2 期2023 年 2 月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.49No.2Feb.2023基于 AlGaN/GaN HEMT 结构的 ZnO 纳米线感光栅极光电探测器朱彦旭1,李建伟1,李锜轩2,宋潇萌1,谭张杨1,李晋恒1,王晓冬3(1.北京工业大学光电子技术教育部重点实验室,北京摇 100124;2.中国科学院软件研究所,北京摇 100190;3.中国人民警察大学警务装备技术学院,河北 廊坊摇 102308)摘摇 要:在传统的采用 ZnO 薄膜的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(high e
2、lectron mobility transistor,HEMT)光电探测器件中,存在光吸收、光电转换效率低,光电流小等诸多局限.为改善上述问题,基于 AlGaN/GaN HEMT 结构,提出并成功制备了一种 ZnO 纳米线感光栅极光电探测器.实验中首先通过水热法将 ZnO 纳米线成功制备到 Si 衬底材料及 AlGaN/GaN HEMT 衬底材料上,并利用 X 射线衍射(X鄄ray diffraction,XRD)仪、扫描电子显微镜(scanningelectron microscope,SEM)、光致发光(photo luminescence,PL)光谱仪等仪器进行了一系列测试.结果表明,
3、生长在AlGaN/GaN HEMT 衬底材料上的 ZnO 纳米线具有更低的缺陷密度、更好的结晶度和更优异的光电特性.然后,将ZnO 纳米线成功集成到 AlGaN/GaN HEMT 器件的栅极上,制备出具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT紫外光电探测器.将实验中制备出的具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT 器件与常规的 AlGaN/GaNHEMT 器件进行对比,发现具有 ZnO 纳米线的器件在紫外波段能达到 1郾 15 伊104A/W 的峰值响应度,相比常规结构的 AlGaN/GaN HEMT,峰值响应度提升约 2郾 85 倍,并且制备的 ZnO
4、纳米线器件的响应时间和恢复时间缩短为子r=10 ms 和子f=250 ms,提高了探测器的性能.关键词:水热法;紫外;ZnO 纳米线;高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT);探测器;响应度中图分类号:TN 36文献标志码:A文章编号:0254-0037(2023)02-0188-09doi:10.11936/bjutxb2021090020收稿日期:2021鄄09鄄24;修回日期:2022鄄02鄄19基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFB0402803);北京市自然科学基金资助项目(4182011)作者简介:朱彦旭(197
5、7),男,副教授,主要从事 GaN HEMT 器件、半导体发光二极管、激光器、太阳能电池等半导体器件方面的研究,E鄄mail:zhuyx 通信作者:王晓冬(1977),男,副教授,主要从事微机电系统和电子显微分析方面的研究,E鄄mail:ZnO Nanowires Photosensitive Grid Photodetector Based onAlGaN/GaN HEMT StructureZHU Yanxu1,LI Jianwei1,LI Qixuan2,SONG Xiaomeng1,TAN Zhangyang1,LI Jinheng1,WANG Xiaodong3(1.Key Labo
6、ratory of Opto鄄electronics Technology,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Institute of Software,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China;3.School of Police Equipment Technology,Renmin Police University,Langfang 102308,Hebei,China)Abstract:In the conve
7、ntional AlGaN/GaN high electron mobility transistor(AlGaN/GaN HEMT)photodetector with ZnO films,there are many limitations such as low light absorption efficiency,lowphotoelectric conversion efficiency and small photocurrent.To improve the above problems,a ZnOnanowire photosensitive gate photodetect
8、or based on AlGaN/GaN HEMT structure was proposed andsuccessfully fabricated in this experiment.First,ZnO nanowires were successfully prepared on Si网络首发时间:2023-02-08 16:47:02网络首发地址:https:/ 第 2 期朱彦旭,等:基于 AlGaN/GaN HEMT 结构的 ZnO 纳米线感光栅极光电探测器substrates and AlGaN/GaN high electron mobility transistor(HEM
9、T)substrate materials by hydrothermalmethod.A series of tests were carried out by using X鄄ray diffractometer,scanning electron microscope(SEM),photo luminescence(PL)Spectrum and other instruments.It is found that the ZnO nanowiresgrown on the AlGaN/GaN HEMT substrate material has lower defect densit
10、y,better crystallinity andbetter optoelectronic properties.Then,the ZnO nanowires were successfully integrated into the gate of theAlGaN/GaN HEMT device,and an AlGaN/GaN HEMT ultraviolet photodetector with a ZnO nanowirephotosensitive gate was fabricated.Comparing the AlGaN/GaN HEMT device with ZnO
11、nanowirephotosensitive gate prepared in the experiment with the conventional AlGaN/GaN HEMT device,it isfound that the device with ZnO nanowire can reach a peak value of 1郾 15 伊 104A/W in the ultravioletband.The responsivity is about 2郾 85 times higher than that of the conventional AlGaN/GaN HEMT.Th
12、eresponse time and recovery time of the prepared ZnO nanowire device are shortened to 子r=10 ms and子f=250 ms,which significantly improves the performance of the detector.Key words:hydrothermal method;ultraviolet;ZnO nanowire;high electron mobility transistor(HEMT);detector;responsivity摇 摇 宽禁带半导体 GaN、
13、AlGaN、ZnO 等材料所具有的低介电常数、高击穿电压、高电子饱和率和抗辐射性等特点,使它们成为高温、高频、高功率等半导体器件常用材料1.其中,在 AlGaN/GaN 材料形成的异质结基础上制得的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)吸引了大量研究人员的关注.AlGaN/GaN HEMT 利用材料间压电极化和自发极化引起的导带偏移可以产生高面密度的二维电子气(2鄄dimensional electron gas,2鄄DEG),结合材料自身特点,使得 AlGaN/GaN HEMT被广泛应用于功率放大器2、开关器件
14、3、低噪声放大器4等集成电路中.AlGaN/GaN HEMT 异质结处 2鄄DEG 浓度具有易受表面态及栅压调控的特点,因此,不少科研人员对制备以栅压控为主的 AlGaN/GaN HEMT 不同类型探测传感器进行了探究.例如:Xue 等5提出通过改变 AlGaN/GaN HEMT 阈值电压而提高器件对酸碱度(potential of hydrogen,pH)探测能力的传感器;Zhang 等6提出具有 Pt 催化栅极的 AlGaN/GaN HEMT 探测 H2S 气体的探测器6;Chung 等7和 Kim 等8分别提出 Pt 浮栅AlGaN/GaN HEMT 高温 H2传感器、Pt 纳米网格栅H
15、2传感器.AlGaN/GaN HEMT 在多领域表现出的优异探测能力为 AlGaN/GaN HEMT 在紫外光探测领域的应用提供了可能.此外,由于 GaN 及其芋族氮化物合金可实现禁带宽度在 0郾 7 6郾 2 eV 范围内的调控,使其可实现从真空紫外到远红外全波段的光吸收,是最具潜力的光电探测材料.ZnO 是六方纤锌矿结构的宽直接带隙半导体材料,其激子结合能(60 MeV)高9,远大于 ZnSe(22 MeV)和 GaN(25 MeV),这有利于其在室温下实现激子激光发射行为,因此,ZnO 是制备短波长紫外光电探测器的优良材料.除此之外,ZnO与 GaN 间的晶格失配率仅为 1郾 8%,为
16、GaN/ZnO 良好的异质结外延提供可能.但 ZnO 薄膜(尤其是多层膜结构)存在光吸收效率低、光损失大、光电流小、光响应度低等问题,并且薄膜中存在大量微结构缺陷,会导致光增益低,制备高质量薄膜的成本提高,因此,ZnO 基薄膜质量与制备方法都需要提升和改进9鄄10.相较于 ZnO 薄膜,纳米线结构的热电特性、量子尺寸效应及大的表面体积可增强光的敏感性.ZnO 纳米线具有独特的一维性结构,此一维纳米结构可将光自然聚集到晶体中一个非常小的区域,聚光能力是普通光照强度的 10 倍11鄄12.由于纳米线晶体的直径小于入射光的波长,可以引起纳米线晶体内部以及周围光强的共振.通过共振散发出的光子更加集中,
17、这有助于提高探测器的光电转换效率,使得基于一维纳米结构的光电探测技术得到真正的提升10,因此,基于 ZnO 纳米线结构的光电探测器与传统 ZnO 薄膜探测器的性能相比有很大的提升.早在 2002 年,Yang 等13提出的具有优异探测性能的 ZnO 纳米线紫外光电探测器,让基于一维纳米线材料的紫外光电探测器成为研究热点.纳米线结构所具有的高比表面积、深表面陷阱态和有效光学耦合效应,可有效提高光生载流子的寿命14鄄15;纳米线的小尺度有效区域使载流子输运距离减小,981北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年从而使光电导增益得到提高14鄄16;ZnO 纳米结构因其高表面体积比和小
18、活性区域尺寸,可以表现出高光响应性能17.此外,由于 ZnO 纳米线在暗场下存在对氧气分子的吸附过程,导致氧气分子俘获 ZnO纳米线导带中的电子从而在纳米线表面形成一层O-2,在 ZnO 纳米线界面处形成一势垒层,阻断电子导通.当紫外光照射后,ZnO 纳米线中光生载流子空穴与表面 O-2复合,从而形成氧气解析的过程,界面势垒逐渐消失.剩余的电子将在 ZnO 纳米线中形成导电沟道,增大 ZnO 纳米线的电导率18.在这项工作中,利用 ZnO 纳米线在空气中有无紫外光照射时对氧气分子的吸附和解吸能力,使附着在纳米线表面的 O-2复合后消失,形成可变电导率的 ZnO 纳米线.同时,结合 AlGaN/
19、GaN HEMT 栅控特点,将 ZnO 纳米线作为栅极,在施加固定栅压下,实现了具有 ZnO 纳米线栅控的 AlGaN/GaNHEMT 紫外光电探测器,其表现出比无 ZnO 纳米线器件更高的性能.这项工作为 HEMT 在光电传感器上的应用提供了另一种可能.并且,器件表现出的优异的日盲区紫外探测效果,为开发日盲型高性能探测器提供了新的思路.1摇 实验方法利用水热法,以六水合硝酸锌(Zn(NO3)26H2O)和六 亚 甲 基 四 胺(hexamethylenetetramine,HMTA)为原料生长 ZnO 纳米线.为探究水热法生长 ZnO 纳米线的条件,首先,在 Si 衬底材料上进行探究.在 S
20、i 衬底表面,利用射频功率为 250 W、Ar和O2的气体流量比为 40 颐 0、本底真空度为 3 伊10-4Pa 以及衬底温度为 100 益的射频磁控溅射条件生长一层厚度为 100 nm 的 ZnO 种子层.然后,以相同的物质的量比将 HMTA 和 Zn(NO3)2 6H2O 溶质溶于去离子水中,得到 ZnO 纳米线生长液,并利用磁力搅拌器搅拌 2 h,使溶质在溶液内均匀分布.最后,将具有 ZnO 纳米线种子层的 Si 外延片倒置在装有 ZnO 纳米线生长液的反应釜中,使其充分接触,并分别在 80 益恒温箱内保温 6、8 h,成功实现了在 Si 衬底上生长 ZnO 纳米线.最后,根据 Si
21、衬底上生长 ZnO 纳米线的条件制备出了垂直 GaN 层生长的 ZnO 纳米线.为了实现 ZnO 纳米线在 AlGaN/GaN HEMT 栅极上的可控区域生长,采用光刻胶作掩膜的方式,通过如图 1 所示的器件制备流程,将ZnO 纳米线集成到 AlGaN/GaN HEMT 栅极位置.制备器件所用的外延片是由晶湛半导体公司提供的图 1摇 器件制备流程Fig.1摇 Device preparation process摇AlGaN/GaN HEMT 外 延 片,其 电 子 迁 移 率 为1 765 cm2/(V s)、2鄄DEG 浓度为 9郾 99 伊 1012cm-2、方阻为 353郾 7 赘/阴.
22、在器件制作前,先使用体积比为 1颐 1的盐酸(hydrochloric acid,HCl)和去离子水混合溶液浸泡外延片,除去外延片表面的氧化物,之后分别利用丙酮和乙醇对外延片先煮沸再超声清洗,最后使用大量去离子水冲洗干净,以排除外延片表面等离子体等器件性能的影响.其间,经过以下步骤制备出器件:1)使用感应耦合离子体(inductivelycoupled plasma,ICP)刻蚀法对外延片刻蚀250 nm 的深度,得到器件有源区,并实现器件间的隔离.2)利用多靶磁控溅射台溅射源、漏电极,电极结构为 Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au(5 nm/50 nm/5 nm/50 nm/5
23、nm/50 nm/40 nm/50 nm).3)利用快速退火(rapid thermal processing,RTP)炉在 N2氛围下对100 滋m 伊100 滋m 的方形电极进行 830 益、35 s 的快速退火操作,得到具有良好欧姆接触的源极和漏极.4)使用金属 Ti/Pt(25/150 nm)作为栅极,得到栅长为3 滋m、栅源和栅漏间距分别为 6 滋m 和 8 滋m 的AlGaN/GaN HEMT 器件.5)使用 5214 反转光刻胶作掩膜,以实现栅极位置的可控 ZnO 种子层的外延生长.6)将器件正面朝下,放置到预先配好的 ZnO纳米线溶液中,在 80 益恒温箱中生长 6 h.7)使
24、用Ti/Au(15/300 nm)作为上电极,以施加固定栅压.最终得到的 ZnO 纳米线栅极 AlGaN/GaN HEMT 光电探测器如图 2 所示.图中 D、S、G 分别表示漏极、源极和栅极.为对 ZnO 纳米线进行表征分析,使用 X 射线衍射(X鄄ray diffraction,XRD)仪对样品上的 ZnO 纳米线进 行 晶 体 结 构 分 析;使 用 扫 描 电 子 显 微 镜(scanning electron microscope,SEM)观察了样品放大 1 万倍和 3 万倍下的表面形貌;使用快速拉曼成像光谱仪对样品光学特性进行分析.最后,使用半导体器件分析仪(B1500A)和 Zo
25、lix DSR30 光谱响应度测试系统对具有 ZnO 纳米线栅极的 AlGaN/GaN091摇 第 2 期朱彦旭,等:基于 AlGaN/GaN HEMT 结构的 ZnO 纳米线感光栅极光电探测器图 2摇 器件结构Fig.2摇 Device structure摇HEMT 进行瞬态响应及光谱响应测试分析.2摇 器件性能分析及 ZnO 纳米表征2郾 1摇 XRD 图谱分析为表征水热法合成 ZnO 纳米线的生长情况,分别对以 Si 和 AlGaN/GaN HEMT 为衬底生长的 ZnO纳米线进行 XRD 图谱分析,如图 3 所示.可以明显观察到,Si 衬底生长的 ZnO 纳米线呈现出多晶的形态,同时存
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