AlGaN/GaN HEMT器件的光电特性研究

葛明昌通信作者，周国友，陆志航

合肥工业大学，安徽合肥，230009

0 引言

随着紫外探测技术的不断发展，人们发现其可作为红外探测技术的补充，在很多领域发挥重要作用，而紫外探测器作为其最核心的部分，被各个国家列为当今研究发展的重要课题。在过去的几十年中，已经研究和生产了大量的光电探测器，最典型的代表是硅基紫外探测器，它们通常被应用于可见光盲和日盲探测。然而，硅材料自身的限制也带来了很多缺点，例如寿命短、量子效率低以及需要额外添加昂贵且易碎的滤片才能实现良好的可见光抑制比和日光抑制比[1]。

随着宽带隙半导体材料生长技术的发展，基于宽禁带半导体的紫外探测器成了新的发展方向。作为第三代半导体材料的典型代表，GaN材料具有诸多优点：①优异的物理和化学稳定性，这使得GaN基紫外探测器可以在恶劣的条件下工作；②可以通过改变Al元素的组分来改变AlGaN材料的禁带宽度。相应的截止波长正好处在紫外光谱200～365nm的范围内[2]。因此，AlGaN是制造紫外探测器的理想材料。

但是大部分GaN基紫外光电探测器主要采用特殊的光电材料结构和工艺流程，这样的工艺流程往往不适合用来设计制备微弱光电信号的低噪声放大电路[3]，从而难以做到光电探测与放大功能的单片集成。因此，本文的主要内容就是围绕常规非光电工艺的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件中的光调制性质进行研究。

1 器件结构与模型

1.1 器件结构

本文根据雪崩倍增产生的条件，在海威华芯0.25μm AlGaN/GaN HEMT工艺的设计规则下建立了如图1所示的二维仿真模型。该器件一共由五层结构组成，第一层是厚度为20μm的SiC衬底，第二层是厚度为1μm的GaN缓冲层，第三层是厚度为0.025μm的AlGaN势垒层，第四层是制作在AlGaN上的三个电极，最后是覆盖了一层氮化物钝化层。从图中可以看出栅漏距离增加至8μm，目的是增大光照面积以及为光生载流子提供足够长的加速路径，从而获得足够的动能去碰撞电离。

图1 应用于光电探测器的AlGaN/GaN HEMT结构

1.2 物理模型

只有选择正确的物理模型，才能得到合理、正确的仿真结果。本文所用到的几个重要的物理模型主要有迁移率模型、碰撞电离模型和复合模型。

由于AlGaN/GaN HEMT结构处在临界击穿电压的条件下工作，其电子和空穴的迁移率与很多因素有关，例如电场、掺杂浓度、温度、材料等。在低电场的情况下，载流子的速度随着电场强度增大而增大，但是当电场强度达到高电场强度时，载流子的速度将达到饱和，不再随着场强变化。因此，本文采用了Caughey和Thomas的低电场迁移率模型以及Canali高电场迁移率模型[3]。

当栅极上施加的负电压足够大时，沟道中的2DEG消失，漏源之间的电流为零。当2DEG消失后，在漏极上施加的正电压足够大，栅漏间漂移区内的电场接近或等同于临界击穿电场时，光生载流子将加速到足够的能量去碰撞束缚的价电子，使其离化产生新的电子-空穴对。这些新的电子-空穴对又在高电场的作用下获得足够的能量对其它的价电子产生碰撞电离，从而产生更多的电子-空穴对，这样不断重复就导致了载流子的雪崩倍增，器件也就达到雪崩击穿[4]。本文采用的是Selberherr碰撞电离模型来模拟上述情形。

直接带隙的AlGaN/GaN材料就以直接复合为主[5]，本文采用SRH（Shockley-Read-Hall）复合和俄歇（Auger）复合描述AlGaN/GaN的载流子产生和复合。

2 仿真结果与分析

2.1 雪崩击穿特性

为了得到在光照下雪崩倍增倍数最大的漏极电压值，需要在紫外光照射下进行TCAD仿真。图2为有/无光照时的击穿特性曲线。从图中可以看出，漏极电压从0V增加到90V时，光电流与暗电流都缓慢地增长，两者处在同一数量级。但是当漏极电压增加到90V时，光电流开始急剧增长，并不断与暗电流拉开差距，而暗电流从100V才开始慢慢增加。所以可以认为是由于光生载流子的产生，导致雪崩击穿的提前到来。从图中的标记可以看出漏极电压为108V时，光电流比暗电流高出了3.6个数量级。经过计算，当栅极电压为-8V、漏极电压为108V时，AlGaN/GaN HEMT结构在光照条件下的雪崩倍增电流是无光照时的4110倍。

图2 有/无光照时击穿特性曲线

2.2 雪崩倍增机制

由于栅极电压为-8V，漏极施加的高电压会使栅极下方的耗尽层向漏极方向扩展，所以电场主要集中在AlGaN/GaN HEMT结构的栅极右侧，如图3所示，该处电场强度高达107V/cm，可以判定碰撞电离和雪崩倍增发生在栅极右侧。

图3 AlGaN/GaN HEMT雪崩击穿电场分布

图4和图5表示在有/无光照时器件横向和纵向电子的浓度分布。从图4可以看出，由于栅极下方沟道呈夹断状态，所以电子浓度都很低，而由于光生载流子的产生，电子会向漏极流动，所以有光照时栅极下方的电子浓度比无光照时高出23个数量级。但是由于在栅极右侧发生了碰撞电离和雪崩倍增，所以栅极右侧的电子浓度会呈现上升的趋势，此时有光照时的电子浓度也比无光照时高出了9个数量级。在源极和栅极之间以及靠近漏极一侧，由于电场强度很低，并不会发生碰撞电离，所以电子浓度不会发生很大的变化。从图5可以看出，器件栅极纵向上的电子浓度的差距，随着纵向深度的加深，光照时电子浓度一直维持在1013/cm3，而无光照时电子浓度呈缓慢下降的趋势并且处在1011/cm3左右。

图4 漏极电压108V情况下AlGaN/GaN HEMT结构中横向电子浓度分布对比图

图5 漏极电压108V情况下AlGaN/GaN HEMT结构中纵向电子浓度分布对比图

图6和图7表示了器件在有/无光照时横向和纵向空穴浓度的分布。从图6可以看出，由于栅极右侧的高电场发生了大量的碰撞电离，所以栅极右侧的空穴浓度会显著提高。由于栅极电压为负值且空穴会通过栅极下方朝源极流动，所以在栅极下方会积聚大量的空穴，也就导致此处的空穴浓度最高，有光照时的空穴浓度比无光照时高出10个数量级。而远离栅极靠近漏极的地方由于电场强度较低，并没有发生碰撞电流，所以无光照时的空穴浓度仅为10-35/cm3。而光照时，栅极两侧的地方由于光生载流子的产生使得空穴浓度一直维持在108/cm3。从图7可以看出光照时，器件栅极纵向上由于光生空穴发生了大量的碰撞电离使得空穴浓度可以维持在1013/cm3，比无光照时高了18个数量级。

图6 AlGaN/GaN HEMT结构中空穴横向浓度分布对比图

图7 漏极电压108V情况下AlGaN/GaN HEMT结构中纵向空穴浓度分布对比图

综上所述，电子浓度在有光照时出现了很大数量级提升的现象，可以解释为光生载流子的产生在栅极右侧发生了碰撞电离，产生了雪崩倍增效应，使得电子浓度呈指数式地增长。

图8为无光照时载流子电流的流向和大小情况。从图（a）可以看出电子电流主要集中在栅漏和栅源之间，图（b）可以看出空穴电流主要集中在栅极下方，这与前面所述的电子和空穴浓度的分布是对应的。此时电子电流为0.102A/cm2远远大于空穴电流的1.79×10-7A/cm2，所以无光照时器件雪崩击穿电流主要以电子电流为主。

图8 漏极电压108V、无光照时电子电流（a）和空穴电流（b）的流向和大小

图9为光照时载流子电流的流向和大小情况。从图（a）可以看出电子电流主要集中在栅漏之间，图（b）可以看出空穴电流集中在栅极下方，这也与前面所述的电子和空穴浓度分布是对应的。此时电子电流为2.55×103A/cm2，空穴电流为2.32×103A/cm2，所以光照时器件雪崩击穿电流由电子电流和空穴电流共同组成。这也就解释了有光照时的漏极电流值比无光照时高出3.6个数量级的原因。

图9 漏极电压108V、有光照时电子电流（a）和空穴电流（b）的流向和大小

2.3 AlGaN/GaN HEMT的响应时间

本文采用脉冲响应法对AlGaN/GaN HEMT的光电响应时间进行了分析[6]。向AlGaN/GaN HEMT结构表面上垂直入射光功率为0.01W/cm2、波长为280nm的紫外光线，其中光脉冲的上升时间和下降时间均为0.1ns。

图10为AlGaN/GaN HEMT结构在光照开启时的上升响应曲线，从图中可以看出，当紫外光在时间轴0s处以1ns的速度开启时，器件很快做出了反应，在0～5×10-5s的时间内漏极电流快速上升，然后在9×10-4s处漏极电流达到了饱和。上升时间定义为从最大电流10%上升到最大电流90%所需要的时间[7]。从图中可知器件在4.9×10-5s时，漏极电流上升到了10%；在2.49×10-4s时，漏极电流上升到了90%，所以AlGaN HEMT器件光电响应的上升时间为0.2ms。

图10 AlGaN/GaN HEMT结构光照开启时的上升响应曲线

如图11所示为AlGaN HEMT结构在光照关闭时的下降响应曲线，从图中可以看出，当紫外光在时间轴0.01s处以1ns的速度关闭时，器件很快做出了反应，在0.1～0.01001s的时间内漏极电流快速下降，但是在0.01001s之后就开始缓慢地下降。在0.011s处漏极电流只剩下暗电流并不再下降。下降时间定义为从最大电流90%下降到最大电流10%所需要的时间[8]。从图中标记可知器件在0.01001s时，漏极电流下降到了90%，在0.01062s时，漏极电流下降到了10%，经过计算该器件的下降时间为0.61ms。由于下降时间大于上升时间，所以器件的响应时间为0.61ms。根据截止频率公式可以算出器件的截止频率为580Hz。

图11 AlGaN/GaN HEMT结构光照关闭时的下降响应曲线

3 结语

本文使用Silvaco TCAD对设计的AlGaN/GaN HEMT结构进行了光电特性的仿真，结果表明器件在栅极电压为-8V、漏极电压为108V时，雪崩倍增效应最明显，放大倍数高达4000多倍。通过研究AlGaN/GaN HEMT的雪崩倍增机制得出，AlGaN/GaN HEMT器件的碰撞电离和雪崩倍增效应发生在栅极右侧。无光照时，器件自身也产生了碰撞电离，但是电离出的电子空穴对很少，雪崩击穿电流主要以电子电流为主。有光照时，在光生载流子浓度为108/cm3的基础上，产生了大量的碰撞电离，雪崩倍增后载流子浓度达到了1013/cm3，雪崩击穿电流由电子电流和空穴电流共同组成。最后对器件的响应时间进行了仿真和分析，仿真结果表明器件的上升时间为0.2ms，下降时间为0.61ms。因此，本文设计的AlGaN/GaN HEMT结构可以应用于雪崩型紫外光电探测器中。