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