基于AlGaN_GaN_H...O纳米线感光栅极光电探测器_朱彦旭.pdf

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 electron 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,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 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(1977),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 Laboratory 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 conventional 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 photodetector 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(HEMT)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 density,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 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.Theresponse 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、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H2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 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,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/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 Si 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 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.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 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 Zolix 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,同时存在(100)、(101)、(002)三种晶向.这是由于 Si 与 ZnO 间晶格失配率约为 40郾 1%,其存在较大晶格失配现象.ZnO 与 GaN 具有相同的晶格结构,使两者晶格失配度仅为 1郾 8%,从而实现了良好的 AlGaN/GaN HEMT 衬底上 ZnO 纳米线的生长.最终生长在 AlGaN/GaN HEMT 衬底上的 ZnO 纳米线仅表现出(002)方向衍射峰的单晶生长方向,其他晶向得到很好的抑制,这表明生长在蓝宝石衬底上的 ZnO 纳米线沿 c 轴垂直基底的择优取向生长.根据 XRD 图中反映出的 Si 基衬底以及 AlGaN/GaNHEMT 衬底上生长的 ZnO 纳米线的 XRD 峰可知,生长在 AlGaN/GaN HEMT 衬底上的 ZnO 纳米线在(002)方向上的衍射峰相比其他峰更强,对应尖峰半高宽(full width at half maximum,FWHM)更窄,生长出的 ZnO 纳米线表现出更高的结晶质量19.2郾 2摇 SEM 表面以及横截面形貌分析图 4 所示的是在 AlGaN/GaN HEMT 衬底上用水热法恒温 6 h 和 8 h 生长的 ZnO 纳米线表面形貌以及横截面的形貌.由图可看出,随着生长时间的增加,ZnO 纳米线直径明显增大且排列更加密集.横截面 SEM 图表明,6 h 和 8 h 生长的 ZnO 纳米线图 3摇 Si 及 AlGaN/GaN HEMT 衬底上 ZnO纳米线的 XRD 分析Fig.3摇 XRD analysis of ZnO nanowires on Si andAlGaN/GaN HEMT substrates摇长度分别约为400 nm 和800 nm,其生长长度随着生长时间的增加而增大,并且随着生长时间增加,ZnO纳米线逐渐从圆柱形向六边形柱转变,这一特征表明 ZnO 的结晶形态是纤锌矿结构20,与 XRD 结构相吻合,证实了 ZnO 纳米线沿 c 轴生长且具有良好结晶质量.2郾 3摇 光致发光(photo luminescence,PL)谱线分析为进一步探究在 Si 及 AlGaN/GaN HEMT 基底上制备的 ZnO 纳米线光电特性,测量得到如 图 5 所示的 2 种衬底上生长的 ZnO 纳米线 PL 谱线.图中2 种衬底上获得的纳米线都存在 2 个强发光峰.其中,在紫外波段的一个峰位于波长 姿=376 nm 处,该峰是由于自由激子复合引起的 ZnO 宽带隙近带边(near band edge,NBE)21紫外发射峰.另一个峰则位于可见光波段姿=550 nm 附近.PL 光谱中包括紫外光波段和可见光波段,其中紫外发射波段归因于室温下 ZnO 中自由激子的NBE 发射,激子通过与激子间的互相碰撞过程进行重组22鄄23.深能级可见光发射是由于许多深能级缺陷的 存 在,如 间 隙 氧、间 隙 锌 及 氧 空 位、锌 空位23鄄25.紫外光与可见光的比值越大,表明生长的ZnO 纳米线中氧空位等缺陷越少,所得纳米线的结构及形貌越好,从而表现出越好的光电特性.图 5 中 550 nm 处的弱绿光发射峰归因于结构缺陷相关的氧空位21,25鄄26,AlGaN/GaN HEMT 衬底上生长的 ZnO 纳米线紫外光波段峰与可见光峰值的比值远大于 Si 衬底上生长的纳米线,这表明前者纳米线中氧空位浓度小于后者,故其相较于 Si 衬底上生长的纳米线具有更低的结构缺陷密度和更好的191北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年图 4摇 AlGaN/GaN HEMT 上生长 6 h 和 8 h 的ZnO 纳米线 SEM 表面和横截面形貌Fig.4摇 SEM surface and cross鄄section topography ofZnO nanowires grown on AlGaN/GaN HEMTfor 6 hours and 8 hours respectively图 5摇 AIGaN/GaN HEMT 衬底和 Si 衬底上生长的纳米线的 PL 谱线Fig.5摇 PL spectra of nanowires grown on AIGaN/GaNHEMT substrates and Si substrates摇结构形貌.因此,通过 PL 谱线得出的结果与 XRD谱线分析的结果一致,表明在 AlGaN/GaN HEMT 衬底上生长的 ZnO 纳米线具有更低的缺陷密度和更好的结晶度,从而表现出更优异的光电特性.以上实验结果主要与 ZnO 纳米线的几何形貌有关.ZnO 纳米线形成的类薄膜形貌具有因纳米线微观排列引起的陷光效应27,这种效应使得 ZnO 纳米线具有更高的光吸收能力.纳米线的介电圆柱体具有的多种电磁模式中的束缚模式可使光照射到纳米线上后引导光沿纳米线轴向传播,从而增加光吸收28;泄露模式则会将能量从系统辐射或“泄露冶,使光限制在半导体内,导致在其共振波长处吸收增强,实质则是将光汇聚在纳米线上29,而且 ZnO 纳米线具有较高的粗糙度系数,使纳米线表现出强抗反射特性,减少了空气与纳米线之间的折射率差,使其在空气与半导体界面的散射中捕获光并增加纳米线的光吸收.此外,ZnO 纳米线具有高表面体积比、深表面陷阱态和有效光学耦合效应,这些特性可以有效提高光生载流子的寿命.相关研究表明,ZnO纳米结构因其高的表面体积比和小的活性区域尺寸,可以表现出高光响应性能14;同时,纳米线的小尺度有效区域可减小载流子输运距离,从而使光电导增益得到提高14,16;ZnO 纳米线具有从高电阻到高导电性的可调导电性范围16.基于以上 ZnO 纳米线的特点,将 ZnO 纳米 线 集 成 到 AlGaN/GaNHEMT 器件栅极上,制备出了具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT 日盲紫外光电探测器,其器件3D 图如图2 所示.图6 为所制备器件的SEM 表面形貌图.291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 6摇 具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaNHEMT 日盲紫外光电探测器 SEM 表面形貌Fig.6摇 SEM surface topography of AlGaN/GaNHEMT solar鄄blind ultraviolet photodetectorwith ZnO nanowire photosensitive grid摇2郾 4摇 光谱响应曲线分析为进 一 步 研 究 具 有 ZnO 纳 米 线 感 光 栅 的AlGaN/GaN HEMT 在紫外波段的光谱响应特性,利用 Zolix DSR30 光谱响应度测试系统来测试器件的响应特性,测试的固定栅压 Vgs=-1 V,源漏电压Vds=6 V,得到常规栅极 AlGaN/GaN HEMT 和具有ZnO 纳米线感光栅极 AlGaN/GaN HEMT 的紫外波段光谱响应曲线对比图(见图 7).AlGaN/GaN 材料本身对紫外波段光也具有较强的吸收,因此,常规型AlGaN/GaN HEMT 在紫外波段也具有紫外响应的特点.当 AlGaN/GaN HEMT 器件上增加 ZnO 纳米线作为感光栅修饰时,器件在波长范围为250 375 nm的响应度明显升高.其中,在波长 265 nm处,具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT器件的峰值响应度达到了1郾 15 伊 104A/W,相比常规结构的 AlGaN/GaN HEMT 的峰值响应度提升约2郾 85 倍.当器件受到紫外光照射时,将在 ZnO 纳米线内产生大量光生电子-空穴对.其中,吸附在纳米摇 摇线表面的 O-2将吸引空穴,使空穴与负氧离子中的电子结合,从而形成氧气分子从 ZnO 纳米线表面解吸.其原理图如图8 所示.此时,ZnO 纳米线中将形成大量自由移动的导电电子,使耗尽层厚度变窄,降低了 ZnO 纳米线的电阻率.同时,纳米线表面上随之降低的负电势将作用在 HEMT 异质结沟道中使2鄄DEG 浓度重新增加.ZnO 纳米感光栅极 AlGaN/GaN HEMT 器件通过施加外加偏置来增加器件的栅控能力,从而表现出比常规 AlGaN/GaN HEMT 器件更高的响应特性.图7摇 具有 ZnO 纳米线感光栅极 AlGaN/GaN HEMT 器件和常规栅极 AlGaN/GaN HEMT 器件的光谱响应曲线Fig.7摇 Spectral response curves of AlGaN/GaN HEMTdevices with ZnO nanowire photosensitive gridand conventional AlGaN/GaN HEMT devices摇2郾 5摇 瞬态响应曲线分析图 9 是 ZnO 纳 米 线 感 光 栅 极 AlGaN/GaNHEMT 和常规栅极 AlGaN/GaN HEMT 在 365 nm紫外光照射下的瞬态响应曲线.通过控制灯源开关频率,使 Vgs=1 V,Vds=10 V,得到具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT 紫外光电探测器的瞬态响应特性,其响应时间和恢复时间分别为 子r=10 ms 和子f=250 ms;常规栅极 AlGaN/GaNHEMT 的响应时间和恢复时间分别为 子r=10 ms和 子f=2 300 ms.ZnO 纳 米 线 感 光 栅 极 的 GaNHEMT 具 有 更 快 的 瞬 态 响 应 速 度,这 不 仅 与HEMT 的高电子迁移率有关,也和 ZnO 纳米线的高表面体积比有关.具有 ZnO 纳米线栅极的HEMT 器件相比常规栅极的 HEMT 器件具有更大感光区域,在光场和暗场下 ZnO 纳米线具有更快的氧气吸附和解吸速率,从而表现出更快的紫外光响应速度.391北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年图 8摇 具有 ZnO 纳米线栅控的 AlGaN/GaN HEMT 紫外光电探测器工作原理及能带变化Fig.8摇 Working principle and energy band change of the AlGaN/GaN HEMT ultraviolet photodetectorwith ZnO nanowire gate control摇图 9摇 具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT 和常规栅极 AlGaN/GaN HEMT 瞬态响应曲线Fig.9摇 Transient response curves of AlGaN/GaN HEMT with ZnO nanowire photosensitive gridand conventional AlGaN/GaN HEMT摇491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3摇 结论1)由 XRD 仪分析图谱可知,在 AlGaN/GaNHEMT 衬底生长的 ZnO 纳米线可以表现出良好的单晶生长方向,这是由于 GaN 与 ZnO 晶格失配率仅为1郾 8%,远远小于 Si 与 ZnO 之间的晶格失配率且AlGaN/GaN HEMT 衬底上生长的 ZnO 纳米线在(002)方向的衍射峰远比其他峰更强,对应 FWHM 更窄,生长出的 ZnO 纳米线表现出更高的结晶质量.2)通过测量 2 种衬底上生长的纳米线的 PL 谱可知,AlGaN/GaN HEMT 衬底上生长的纳米线所对应的 PL 谱 FWHM 更窄且紫外波段对应的峰更强.在 PL 谱中,AlGaN/GaN HEMT 上生长的 ZnO 纳米线的紫外光和可见光峰值比为 1郾 41,而 Si 衬底上生长的 ZnO 的紫外光和可见光峰值强度比为 1郾 03.结果表明,AlGaN/GaN HEMT 上生长的 ZnO 纳米线具有更低的缺陷密度和更好的结晶度,具有更优异的光电特性,所示结果与 XRD 仪所得出的结果相同.3)利用水热法将 ZnO 纳米线制备到 AlGaN/GaN HEMT 器件上,利用光谱响应度测试系统测量了具有 ZnO 纳米线感光栅极的 AlGaN/GaN HEMT和常规型 AlGaN/GaN HEMT 两种器件的光谱响应特性,发现 ZnO 纳米线作为感光栅修饰时,器件在波长 250 375 nm 的响应度明显升高.其中,在波长 265 nm 处,具有 ZnO 纳米线修饰的栅极器件的峰值响应度高达 1郾 15 伊104A/W,相比常规结构的AlGaN/GaN HEMT 峰值响应度提升约2郾 85 倍.4)通过控制紫外光灯的灯源开关频率得到 2种器件的瞬态响应曲线,具有 ZnO 纳米线修饰栅极的器件响应时间和恢复时间缩短为子r=10 ms和子f=250 ms.与无 ZnO 纳米线栅极 AlGaN/GaN HEMT 器件相比,ZnO 纳米线栅极器件对光更敏感,更易于调控 2鄄DEG,从而影响器件性能30.5)通过样品的实验制备以及各仪器的测量,并经过数据整理分析发现,具有 ZnO 纳米线修饰栅极的器件在光学特性以及探测性能方面远远优于传统的 AlGaN/GaN HEMT 器件,本文的研究扩展了AlGaN/GaN HEMT 器件在紫外光探测领域的应用,揭示了 AlGaN/GaN HEMT 在紫外光探测上的更大潜力.参考文献:1 CHUANG R W,CHANG S P,CHANG S J,et al.Gallium nitride metal鄄semiconductor鄄metal photodetectorsprepared on silicon substrates J.Journal of AppliedPhysics,2007,102(7):073110.2 IKEDA N,NIIYAMA Y,KAMBAYASHI H,et al.GaNpower transistors on Si substrates for switching applicationsJ.Proceedings of the IEEE,2010,98(7):1151鄄1161.3 SAITO W,TAKADA Y,KURAGUCHI M,et al.Highbreakdown voltage AlGaN鄄GaN power鄄HEMT design andhigh currentdensityswitchingbehavior J.IEEETransactions on Eectron Devices,2003,50(12):2528鄄2531.4 OHMAKI Y,TANIMOTO M,AKAMATSU S,et al.Enhancement鄄modeAlGaN/AlN/GaNhighelectronmobility transistor with low on鄄state resistance and highbreakdown voltage J.Japanese Journal of AppliedPhysics,2006,45(11L):L1168.5 XUE D,ZHANG H,AHMAD A,et al.Enhancing thesensitivity of the reference electrode free AlGaN/GaNHEMT 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