AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管溫度傳感器特性*

劉旭陽 張賀秋 李冰冰 劉俊 薛東陽 王恒山 梁紅偉 夏曉川

(大連理工大學(xué)微電子學(xué)院, 大連 116024)

本文制作了基于無柵AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的溫度傳感器, 并對其溫度相關(guān)的電學(xué)特性進(jìn)行了表征.實(shí)驗(yàn)測試了器件從50 ℃到400 ℃的變溫電流-電壓特性, 研究了器件靈敏度隨著器件溝道長寬比的變化, 并研究了在300—500 ℃高溫的空氣和氮?dú)庵薪?jīng)過1 h恒溫加熱后器件的電學(xué)特性變化.理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明, 隨著器件溝道長寬比的增大, 器件的靈敏度會隨之上升; 在固定電流0.01 A下, 器件電壓隨溫度變化的平均靈敏度為44.5 mV/℃.同時, 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)顯示器件具有較好的高溫保持穩(wěn)定性.

1 引 言

溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一.隨著科技的不斷發(fā)展, 溫度傳感器在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航空及民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用.與傳統(tǒng)的溫度傳感器如熱電阻、熱電偶傳感器相比, 半導(dǎo)體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn), 無論輸出信號是電壓、電流還是頻率, 在一定的溫度范圍內(nèi)都可與溫度成線性關(guān)系[1].

然而在高溫測量領(lǐng)域中, 使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料制作的溫度傳感器已經(jīng)逐漸不能滿足社會對它的需求.例如當(dāng)涉及高熱預(yù)算時, Si的半導(dǎo)體特性會發(fā)生變化, 從而使得大部分Si基器件的工作溫度不適合超過150 ℃[2,3].GaN材料具有優(yōu)良的特性: 大禁帶寬度、高電子飽和速率和高擊穿電場;制作的器件具有良好的電學(xué)特性: 高擊穿電壓和低的漏電流等, 可以在高溫、高壓、高頻與強(qiáng)輻照的環(huán)境中工作[4,5].GaN基器件的工作溫度可以達(dá)到600 ℃ 以上, 這是傳統(tǒng) Si材料器件無法比擬的.而與其他的一些半導(dǎo)體溫度傳感器相比, GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)溫度傳感器的主要優(yōu)勢是由于高的二維電子氣(2DEG)濃度和高的載流子遷移率[6,7]帶來的高靈敏度.由于近年來GaN基器件的快速發(fā)展, GaN基HEMT溫度傳感器在航空航天、化學(xué)工業(yè)、礦物開采加工等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景.

2014年, Kwan等[8]展示了利用單片集成的GaN器件得到了高度線性的溫度-電壓關(guān)系.2016年, Rao等[9]設(shè)計并制造了一個基于4H-SiC的p-i-n二極管溫度傳感器, 測量溫度高達(dá)300 ℃,最大靈敏度為 2.66 mV/℃.2017年, Matthus等[10]制造的4H-SiC p-i-n二極管具有4.5 mV/℃的極高靈敏度, 測溫范圍為室溫到 460 ℃.同年,Madhusoodhanan等[11]制作了GaN-on-SiC異質(zhì)結(jié)二極管并在室溫到400 ℃進(jìn)行了測試, 靈敏度最高為 2.25 mV/℃.2019年, Pristavu 等[12]制備了Ni/4H-SiC肖特基二極管溫度傳感器, 并在室溫到450 ℃內(nèi)進(jìn)行了測試, 器件表現(xiàn)出了穩(wěn)定的靈敏度 (最高 2.33 mV/℃)和出色的線性度.表1列出了近年來發(fā)表的一些高溫半導(dǎo)體溫度傳感器的器件參數(shù).

表1 一些不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體高溫溫度傳感器Table 1.Some semiconductor high temperature sensors in various structures.

本文設(shè)計并制造了無柵AlGaN/GaN HEMT溫度傳感器, 并對其特性進(jìn)行了表征, 這在目前發(fā)表的一些GaN HEMT器件相關(guān)的文章中是很少見的.該器件由具有GaN帽層的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備而成.文中給出了器件隨溫度變化的輸出特性曲線, 并利用實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)合的方式給出了器件靈敏度隨溝道長度的變化關(guān)系, 同時研究了器件的高溫保持穩(wěn)定性.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料的生長與器件的制備

實(shí)驗(yàn)中使用的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料是在藍(lán)寶石襯底上外延生長的, 外延層從下至上包括大于 1 μm 的 GaN 緩沖層, 大于 150 nm 的 GaN 溝道層, 20 nm 的 Al0.25Ga0.75N 層和 2.5 nm 的 GaN帽層.經(jīng)室溫下的霍爾測試得到: 外延片的方塊電阻為 300 Ω/□, 2DEG 濃度為 1.4 × 1013cm–2, 霍爾 遷 移 率 為 1350 cm2/(V·s).器 件 結(jié) 構(gòu) 為 無 柵HEMT結(jié)構(gòu).用熱蒸發(fā)的方法制備了Ti/Al/Ni/Au (20 nm/100 nm/50 nm/100 nm)源漏電極, 電極形狀為直徑0.8 mm的圓形, 在N2氛圍下830 ℃退火50 s形成了歐姆接觸.器件結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示.

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of the device structure.

2.2 測試與表征

實(shí)驗(yàn)中利用kethely2611源表對器件的電學(xué)特性進(jìn)行了測試.使用HP-1010加熱臺為器件加熱,在50—400 ℃范圍內(nèi)測試器件的變溫電流-電壓(I-V)特性.在研究器件的高溫保持穩(wěn)定性過程中,將器件在管式爐中分別加熱到 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃并保持1 h, 比較了加熱前后樣品電學(xué)特性的變化.

3 結(jié)果與分析

3.1 HEMT器件的電流電壓特性與溫度關(guān)系的理論模型

對HEMT器件, 在漏源之間施加電壓后, 設(shè)沿溝道方向電勢為V(x), 則有

其中 e 為電子電量, ns為 2DEG 的濃度, ε0為真空介電常數(shù), εAlGaN為AlGaN層的相對介電常數(shù),m為鋁組分, T為開氏溫度, dAlGaN為AlGaN層的厚度, VG為柵壓(下文的計算中認(rèn)為柵壓為0).因此

其中μ為2DEG的遷移率, VT閾值電壓是一個與m和T有關(guān)的量, 對(2)式兩端由源端向漏端積分, 即可得到

其中W為溝道的寬度, 與電極的寬度一致, L為溝道長度.在線性區(qū), 即 VDS? (VG?VT) 時, 可以簡化為

在保持恒流的模式下, (5)式兩邊對溫度T求導(dǎo), 即得到器件電壓隨溫度變化的電壓靈敏度的公式:

因此, 在線性區(qū), 鋁組分固定的情況下, 器件的I-V特性變化主要與μ, d, 以及VT隨溫度的變化有關(guān), 而其本質(zhì)上就是由于GaN基材料禁帶寬度以及2DEG的遷移率[13]與濃度隨溫度的變化.溫度升高過程中, 由于AIGaN和GaN的熱膨脹系數(shù)不同, 造成AlGaN層勢壘層應(yīng)變能減小, 從而導(dǎo)致極化電荷面密度和極化電場減小, 對2DEG的限制作用降低.此外, 隨溫度上升, 電子熱激發(fā)能(KbT)增大, 三角形勢阱中的2DEG電子熱激發(fā)到更高能態(tài)的幾率增大, 2DEG電子體系的量子特征也會減弱.而遷移率則是由于極化庫倫場散射在AlGaN/GaN HEMT器件中所起的作用, 呈現(xiàn)出隨溫度的升高而下降的趨勢[14].

當(dāng)器件在線性區(qū)時, 遷移率隨溫度的變化可以用下述公式來簡單描述[15]:

而閾值電壓VT隨溫度的變化則可以由下面公式計算[15,16]:

其 中 μT與 μ300 K分 別 為 溫 度 T 和 300 K 下2DEG 的遷移率, φB為肖特基勢壘高度, ΔEc為AlGaN/GaN界面處的導(dǎo)帶差, σpz為極化電荷面密度, Nd為 AlGaN 層的摻雜濃度,和分別為AlGaN, GaN和AlN的禁帶寬度.

利用上述模型對器件特性隨溫度變化進(jìn)行了模擬計算, 考慮到材料的晶格常數(shù)隨溫度的變化較小(小于千分之一)[17], 因此計算中忽略了溫度對AlGaN層厚度以及極化電荷面密度的影響, 表2中為擬合中一些參數(shù)的設(shè)定.圖2為器件的理論模擬結(jié)果, 可以看出固定電流 (0.01 A)的情況下, 器件兩端電壓隨溫度不是線性變化的, 而使用E指數(shù)擬合方法可以很好的對器件電壓隨溫度的變化進(jìn)行擬合.

表2 擬合參數(shù)列表Table 2.List of fitting parameters.

圖2 HEMT器件兩端電壓在電流固定時隨溫度的變化Fig.2.The voltage change across the HEMT device with temperature when the current is fixed.

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

圖3顯示了HEMT器件在50—400 ℃范圍內(nèi)不同溫度下的I-V特性曲線, 可以看出隨著溫度的升高, 漏電流隨之逐漸降低, 這與相關(guān)文獻(xiàn)中報導(dǎo)的結(jié)果相符[18,19].為了獲得更高的器件靈敏度,也考慮到分立器件對于功耗沒有十分嚴(yán)苛的要求,固定電流選擇了盡可能大的0.01 A.圖4顯示了器件在0.01 A時兩端壓降隨溫度的變化及E指數(shù)的擬合曲線, 由圖中的數(shù)據(jù)可以計算得到擬合優(yōu)度R2[20]以評估實(shí)驗(yàn)測量值與其擬合值之間的一致性, E指數(shù)方法擬合的擬合優(yōu)度R2為0.992, 這也驗(yàn)證了前文理論推導(dǎo)的結(jié)果.通過對電壓-溫度關(guān)系的E指數(shù)擬合曲線求導(dǎo)后再積分取均值計算得出, 器件的平均靈敏度為 44.5 mV/℃.

由(6)式可推知, 改變器件的L/W可以使器件的靈敏度隨之變化, 隨著L/W的增加, 器件的靈敏度也會隨之增加, 而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn).如圖5所示, HEMT溫度傳感器溝道長度從1.5 mm 增 加 為 2.3 mm 時 , L/W 變 為 原 來 的1.53倍, 靈敏度也變?yōu)樵瓉淼?.39倍; 溝道長度從 2.3 mm 增加為 4.5 mm 時, L/W 變?yōu)樵瓉淼?.96倍, 靈敏度也變?yōu)樵瓉淼?.59倍.

圖3 HEMT 器件在 50?400 ℃ 下的 I-V 特性曲線Fig.3.I-V characteristic curve of HEMT device at 50?400 °C.

圖4 固定電流 (0.01 A) 下電壓隨溫度的變化曲線與其擬合曲線Fig.4.Curve and fitting curve of voltage changes with temperature at fixed current (0.01 A).

本文還研究了器件的高溫保持穩(wěn)定性問題.圖6與圖7分別顯示了器件在N2氛圍和空氣氛圍中的高溫保持穩(wěn)定性, 分別測試了器件在300 ℃,400 ℃和 500 ℃下保持1 h后的 I-V特性變化.可以看出器件在高溫下保持1 h后電學(xué)特性的變化范圍在10%以內(nèi), 器件具有較好的高溫保持穩(wěn)定性.器件性能的變化可能是由于熱載流子效應(yīng)或是金屬電極與材料的相互擴(kuò)散引起的[21,22], 具體的變化機(jī)制還需要進(jìn)一步研究.

圖5 器件靈敏度隨溝道長度的變化Fig.5.Device sensitivity as a function of channel length.

圖6 器件在 N2 氛圍中的高溫保持穩(wěn)定性Fig.6.Temperature stability of the device in N2 atmosphere.

圖7 器件在空氣氛圍中的高溫保持穩(wěn)定性Fig.7.Temperature stability of the device in an air atmosphere.

4 結(jié) 論

使用熱蒸發(fā)方法制備了無柵AlGaN/GaN HEMT溫度傳感器并對器件的變溫輸出特性進(jìn)行了測試.實(shí)驗(yàn)顯示器件在固定電流0.01 A時電壓隨溫度的變化可以用E指數(shù)模型對其進(jìn)行很好的擬合, 與理論分析結(jié)果相一致.器件尺寸在 6.1 mm ×0.8 mm 時的靈敏度可以達(dá)到 44.5 mV/℃.改變器件的溝道長寬比L/W可以對器件的靈敏度進(jìn)行調(diào)整, 靈敏度會隨著L/W的增加而增大.器件長時間處在300 ℃以上的高溫空氣和氮?dú)夥諊箅妼W(xué)特性變化不大, 具有較好的高溫保持穩(wěn)定性.