摘要
紫外光探测技术在军事、民用、商业等各领域占据着重要作用，随着第三代半导体材料的快速发展，GaN等具有代表性的宽禁带半导体代替Si、GaAs等成为制备光电探测器件的基础材料。利用GaN/AlGaN异质结界面的二维电子气(2DEG)容易受到材料表面状态影响这一原理，制备GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)，并在器件栅极制备紫外感光材料，通过吸收紫外光达到对材料内部电子的调控从而调制栅极电压，栅极电压的变化会影响沟道电子的状态，最终反映在源漏输出电流Ids上，达到对紫外光的探测目的。 为得到实现增强型HEMT器件的结构参数，采用Silvaco软件对凹槽栅、薄势垒层、P-GaN层三种情况进行仿真模拟:设置AlGaN势垒层厚度为15nm，对栅极进行刻蚀，刻蚀深度分别为0nm、5nm、10nm、14nm，器件开启电压由-3.1V增至0.4V，只有在刻蚀14nm时实现增强型器件。薄势垒层的原理与凹槽栅原理相同，均是通过减薄势垒层厚度从而耗尽2DEG使沟道关闭，模拟结果同样表明在AlGaN厚度仅保留为1nm时实现增强性器件，但由于薄势垒层在整个平面范围内减少了势垒厚度，而凹槽刻蚀时栅极以外区域的势垒层不受影响，因此凹槽刻蚀相较于前者具有更大的饱和源漏输出电流值。对添加P-GaN帽层情况进行模拟，设置受主掺杂浓度分别为2e 17cm-3、2.5e17cm-3、3e17cm-3，器件均实现增强型，且随着受主掺杂浓度的增大，器件开启电压增大。 ZnO是具有自发极化效应的宽禁带半导体材料，对紫外光具有良好的吸收作用，为增大ZnO的光吸收面积，本文采用水热生长的方式，在HEMT栅极生长垂直朝外的ZnO纳米线(NW)，根据调整水热生长时间来得到形貌、光电性能较好的纳米结构。同时，对源/漏电极区域进行下刻蚀，探究刻蚀深度对器件光电性能的影响。测试结果表明，ZnO NW对紫外光表现出良好的吸收能力，相较于常规器件，ZnO NW感光栅极HEMT表现出更为明显的紫外光响应，在黑暗/紫外光照条件下源漏输出饱和电流差值△Ids分别为1mA、5mA。源漏刻蚀深度为120nm和150nm的源漏饱和电流值Ids分别为31 mA/26mA，源漏饱和电流差值△Ids分别为5mA、8mA，一定程度上增加源漏下刻蚀深度能增强器件紫外光响应。另外，在水热生长时间为6h、刻蚀深度为150nm时器件具有最快的光响应(τr)/恢复时间(τf)，分别为0.0057s、2.128s。 铁电材料PZT具有自发极化和反常光伏效应，紫外光照射时材料内部产生的电子空穴对可以调控栅极处电压，采用ZnO薄膜作为缓冲层，制备PZT/ZnO复合膜层感光栅极HEMT器件。本文采用磁控溅射的方式制备纳米膜层，为探究不同气氛对薄膜沉积质量的影响，在不同的氧氧气氛比(6∶1/4∶1/2∶1/1∶1/纯Ar)下制备膜层。结果表明，在氧气氛围下的膜层相比于无氧氛围具有更强的紫外光吸收能力和更高的漏电流，在氧气含量较低时，增大氧含量能提高膜层质量，Ar∶O2=2∶1时薄膜衍射峰强度最大，溅射质量最好，进一步增大氧含量，膜层质量反而下降。另外，制备了有无Ti/Pt金属电极、有无ZnO缓冲层的四组HEMT器件，探究两种因素对器件光输出、响应特性的影响。结果表明，由于金属电极与感光膜层的界面势垒作用能进一步调制材料内部极化电子的分离传输过程，且ZnO作为缓冲层一方面提高PZT薄膜沉积质量另一方面加大对紫外光的吸收，使得具有金属电极且感光材料为PZT/ZnO复合膜层的HEMT器件具有较高的源漏饱和输出电流差值，响应度为12.06A/W，最快的响应/恢复时间:0.0105s、0.521s，但器件稳定性能较差.
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