基于AlGaN/GaN HEMT结构的ZnO纳米线感光栅极光电探测器

朱彦旭， 李建伟， 李锜轩， 宋潇萌， 谭张杨， 李晋恒， 王晓冬

(1.北京工业大学光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124； 2.中国科学院软件研究所，北京 100190;3.中国人民警察大学警务装备技术学院， 河北 廊坊 102308)

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-dimensional electron gas，2-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-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Ⅲ族氮化物合金可实现禁带宽度在0.7～6.2 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1.8%，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[9-10].

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[11-12]. 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.

1 实验方法

图1 器件制备流程Fig.1 Device preparation process

利用水热法，以六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)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∶0、本底真空度为 3×10-4Pa 以及衬底温度为100 ℃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 ℃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AlGaN/GaN HEMT外延片，其电子迁移率为1 765 cm2/(V·s)、2-DEG浓度为9.99×1012cm-2、方阻为353.7 Ω/□. 在器件制作前，先使用体积比为1∶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(inductively coupled 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 μm×100 μm 的方形电极进行830 ℃、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 μm、栅源和栅漏间距分别为6 μm和8 μm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 ℃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.

图2 器件结构Fig.2 Device structure

为对ZnO纳米线进行表征分析，使用X射线衍射(X-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/GaN HEMT进行瞬态响应及光谱响应测试分析.

2 器件性能分析及ZnO纳米表征

2.1 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40.1%，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1.8%，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/GaN HEMT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].

图3 Si及AlGaN/GaN HEMT衬底上ZnO 纳米线的XRD分析Fig.3 XRD analysis of ZnO nanowires on Si and AlGaN/GaN HEMT substrates

2.2 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.

2.3 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λ=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λ=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[22-23]. 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[23-25]. 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 AIGaN/GaN HEMT衬底和Si衬底上生长的 纳米线的PL谱线Fig.5 PL spectra of nanowires grown on AIGaN/GaN HEMT substrates and Si substrates

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[21,25-26]，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” ，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/GaN HEMT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.

图6 具有ZnO纳米线感光栅极的AlGaN/GaN HEMT日盲紫外光电探测器SEM表面形貌Fig.6 SEM surface topography of AlGaN/GaN HEMT solar-blind ultraviolet photodetector with ZnO nanowire photosensitive grid

2.4 光谱响应曲线分析

图7 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 Spectral response curves of AlGaN/GaN HEMT devices with ZnO nanowire photosensitive grid and conventional AlGaN/GaN HEMT devices

2.5 瞬态响应曲线分析

图9是ZnO纳米线感光栅极AlGaN/GaN HEMT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τr=10 ms和τf=250 ms；常规栅极AlGaN/GaN HEMT 的响应时间和恢复时间分别为τr=10 ms和τf=2 300 ms. ZnO 纳米线感光栅极的GaN HEMT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.

图8 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 Working principle and energy band change of the AlGaN/GaN HEMT ultraviolet photodetector with ZnO nanowire gate control

图9 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 Transient response curves of AlGaN/GaN HEMT with ZnO nanowire photosensitive grid and conventional AlGaN/GaN HEMT

3 结论

1) 由XRD仪分析图谱可知，在AlGaN/GaN HEMT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1.8%，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1.41，而Si衬底上生长的ZnO的紫外光和可见光峰值强度比为1.03. 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1.15×104A/W，相比常规结构的AlGaN/GaN HEMT峰值响应度提升约2.85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τr=10 ms和τf=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-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.