TiN、Ti插入層對ITO與GaN歐姆接觸性能影響的研究

孟文利,張育民,孫遠航,王建峰,徐 科,3,4

(1.中國科學技術大學國家示范性微電子學院,合肥 230026;2.中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,蘇州 215123;3.蘇州納維科技股份有限公司,蘇州 215123;4.江蘇第三代半導體研究院,蘇州 215000)

0 引 言

光導開關是利用激光脈沖觸發光導半導體的固體開關,具有響應速度快、功率密度大、觸發抖動小、抗電磁干擾能力強、體積小、損耗小[1-3]等優點,可以應用于超寬帶雷達、THz發生器、介質壁加速器等領域[4-5]。直接在GaN[6]上鍍金屬電極制作的光導開關在光態下存在載流子堆積[7-8]等問題。銦錫氧化物(indium tin oxide, ITO)在可見光范圍內具有90%以上透過率,因此ITO可以作為透明電極應用于光導開關器件中,緩解采用金屬電極制備的常規光導開關中光生載流子不均勻現象,解決電流聚集問題,并有助于開發新型結構的光導開關器件。一般情況下GaN與ITO是肖特基接觸[9],而在GaN與ITO之間插入一層Ti或TiN[10-13],高溫退火后會形成歐姆接觸[14-16]。雖然在ITO/GaN間插入Ti或TiN層可以促進歐姆接觸的形成,但是高溫退火會導致各層界面發生擴散、相變、分解等過程,影響歐姆接觸的熱穩定性。目前關于高溫退火對ITO/插入層/GaN結構的光學透過率、歐姆接觸機理的研究較少。

本文主要研究在不同退火條件下Ti、TiN插入層對ITO與GaN之間歐姆接觸性能的影響。通過磁控濺射在GaN與ITO之間插入不同厚度的Ti與TiN,研究退火溫度、退火時間對ITO薄膜透過率、ITO與GaN歐姆接觸性能的影響。本研究開發了一套半絕緣GaN單晶襯底上具有良好歐姆接觸性能的透明電極的制備工藝,這對提高光導開關的電流均勻性具有重要幫助。

1 實 驗

1.1 光導開關器件制備

本次實驗所采用的GaN樣品是蘇州納維科技股份有限公司利用氫化物氣相外延(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)法生長的Fe摻GaN樣品,其中Fe濃度為3×1019cm-3,位錯密度為5×105cm-2。實驗前對樣品進行清洗,以去除GaN表面的氧化層、雜質顆粒及損傷層等。之后使用磁控濺射儀(型號Z-1000)在GaN樣品表面沉積Ti、TiN插入層,并使用光學鍍膜機(型號OTFC-900)在樣品表面沉積200 nm的ITO薄膜,接著使用快速退火爐對樣品進行N2氣氛快速退火處理180 s,具體樣品信息和處理條件如表1所示。表中A、B與C分別代表ITO/GaN結構、ITO/Ti/GaN結構和ITO/TiN/GaN結構,其下角標1、2、3分別表示未退火、700 ℃退火和850 ℃退火,中間層Ti和TiN薄膜厚度均為10 nm,插入TiN層光導開關器件結構如圖1所示。

圖1 插入TiN層光導開關器件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of photoconductive semiconductor switch with the TiN insertion layer

表1 樣品信息和處理條件Table 1 Sample information and processing conditions

1.2 性能表征

使用半導體參數儀(Keithley,4200-SCS/F+SUSS PM8)對樣品進行I-V測試,使用原子力顯微鏡(AFM,Veeco, Dimension 3100)觀察樣品表面形貌,使用紫外-可見-近紅外分光光度計(PE, PerkinElmer, LAMBDA750)測量350～832 nm波長范圍的透過率光譜,使用粉末X射線衍射儀(XRD,Bruker AXSD8,Advance)對樣品進行物相表征,使用透射電子顯微鏡(TEM,FEI,Talos F200X Scios)對樣品結構和成分進行表征。

2 結果與討論

2.1 表面形貌與物相分析

為了分析Ti和TiN作為插入層對ITO與GaN歐姆接觸影響的微觀機理,使用AFM觀察未退火條件下Ti和TiN的表面形貌。其中Ti表面粗糙度(Ra)為0.578 nm,TiN表面粗糙度為0.769 nm,表面沒有明顯的起伏,均適合作為插入層。

圖2為退火前、700和850 ℃退火處理的不同樣品表面AFM照片,為了更加清晰地表征表面狀況,測試區域定為1 μm×1 μm,測得樣品粗糙度如表2所示,可以說明不同退火溫度下ITO薄膜均具有良好的表面形貌。但是從圖2可知,隨退火溫度的提高,相同插入層樣品ITO的晶粒尺寸明顯增加(晶粒尺寸變化見表2),說明高溫下ITO發生重結晶。不同插入層樣品在相同退火溫度下表面形貌也存在差異,說明插入層會也影響ITO的表面形貌及重結晶過程。

圖2 不同退火溫度下ITO表面AFM照片Fig.2 AFM images of ITO at different annealing temperatures

表2 不同樣品的半峰全寬、峰位、晶粒尺寸及粗糙度Table 2 FWHM, peak position, crystallite size and roughness of different samples

為了研究不同插入層、不同退火處理條件對歐姆接觸性能的影響,使用粉末XRD對不同退火條件下三種結構的樣品進行物相分析,研究物相對歐姆接觸及ITO薄膜透過率的影響。將所測量的不同退火溫度下樣品粉末XRD圖譜中的衍射峰數據高斯擬合出其半峰全寬(full width at half maximum, FWHM),再根據謝樂公式計算出ITO晶粒尺寸(見表2),可知隨著退火溫度增加ITO的晶粒尺寸逐漸增加,與圖2中ITO表面形貌中晶粒尺寸變化相對應,進一步說明插入層會影響ITO的表面形貌及重結晶過程。圖3(a)為無插入層樣品的XRD圖譜,在未退火下只有ITO相關的峰位。圖3(b)為插入Ti層樣品的XRD圖譜,除觀察到ITO峰位外,在700 ℃退火下出現Ti2O3峰及在850 ℃退火下出現Ti2O3和TiO2峰,這說明高溫下Ti與ITO中的O發生了反應。圖3(c)為插入TiN層樣品的XRD圖譜,只在850 ℃下出現了Ti2O3峰,可能是TiN中的Ti與ITO中的O反應。這說明TiN在700 ℃時無法被氧化,當溫度達到850 ℃時才會出現氧化反應[17],結合后文中插入TiN層的I-V曲線圖,在退火前后均表現出歐姆接觸特性,進一步證明了TiN作為插入層時熱穩定性優于Ti。

圖3 不同插入層樣品經過不同退火溫度后的粉末XRD圖譜Fig.3 Powder XRD patterns of samples with different insertion layers annealed at different temperatures

2.2 光學性能表征

圖4展示了不同插入層、不同退火處理條件下ITO/插入層/GaN結構的透射光譜。從圖中可以看出,在532 nm波段下,無插入層的樣品(A1、A2與A3)透過率均大于69.0%,插入Ti層的樣品(B1、B2與B3)透過率均小于38.3%,明顯低于無插入層的樣品,這說明Ti層的插入對透過率具有重要影響,而插入TiN層的樣品(C1、C2與C3)透過率在38.8%～55.0%,明顯高于插入Ti層的樣品。這說明相對于Ti,TiN在532 nm波長的光吸收更少,其原因是Ti是一種金屬,對可見光的吸收非常強烈。因此,TiN比Ti更適合作為GaN與ITO的插入層,從而提高光的透過率。

圖4 不同插入層樣品經過不同退火溫度后的透射光譜Fig.4 Transmission spectra of samples with different insertion layers annealed at different temperatures

2.3 電學性質分析

圖5是不同插入層、不同退火處理條件下樣品的I-V曲線。如圖5(a)所示,無插入層光導開關在退火前呈現歐姆接觸特性,可能是In和Sn原子熱擴散到GaN表面導致氮化鎵表面出現空位[18],氮化鎵表面的空位充當供體形成功函數較低的InN[19]。而在700和850 ℃退火后為肖特基接觸,可能是溫度升高時GaN表面生成的InN在高溫下分解[18-19],并且圖2表面形貌分析及圖3的XRD圖譜表明,電學性質還與ITO在高溫下的重結晶有關[20]。圖5(b)為插入Ti層的光導開關I-V曲線,在退火前和700 ℃退火下均表現出歐姆接觸特性,其原因可能是在退火過程中Ti與GaN表面的N空位反應生成功函數較低的TiN[21-22],這有利于歐姆接觸性能的提升。但是在850 ℃退火時表現出肖特基接觸,主要與高溫下Ti原子的擴散和氧化有關,Ti原子的擴散和氧化抑制了TiN的生成,最終影響了ITO與GaN的歐姆接觸性能。圖5(c)為插入TiN層的光導開關I-V曲線,退火前與退火后均表現出歐姆接觸特性。

圖5 不同插入層樣品經過不同退火溫度后的I-V特性曲線Fig.5 I-V characteristic curves of samples with different insertion layers annealed at different temperatures

2.4 結構及成分表征

為了研究Ti、TiN插入層對ITO/GaN歐姆接觸影響的微觀機理,對樣品截面進行TEM表征。對于無插入層樣品,700 ℃退火條件下(見圖6(a))GaN界面形貌比較平整,而在850 ℃退火(見圖6(d))時,在ITO/GaN界面出現空洞。對于插入Ti層的樣品來說,在700 ℃退火下(見圖6(b))界面較平整,Ti上下表面出現相同襯度物質,猜測是ITO穿過Ti到達GaN表面,后面的EDS測試結果證明了此猜測。而在850 ℃退火下(見圖6(e))界面出現明顯空洞,說明在高溫退火下Ti原子的擴散、氧化反應更劇烈,這與文獻[23-24]報道的一致。退火溫度升高會促進GaN/Ti界面TiN的生成,但又會加速Ti/ITO界面處TiN的氧化,即在界面生成TiN速率低于TiN氧化速率[17],退火結束后,最終在GaN/Ti界面無TiN生成,使樣品從歐姆接觸變為肖特基接觸(見圖5(b))。對于插入TiN層的樣品來說,在700 ℃退火下(見圖6(c))界面較平整,TiN與GaN接觸區域出現白色襯度物質,與圖6(b)中的現象一致。而在850 ℃退火下(見圖6(f))界面出現明顯的空洞,結合圖3(c)中有Ti2O3相可以說明在850 ℃的退火過程中TiN也發生化學反應,但是C3∶ITO/TiN-850 ℃表現為歐姆接觸(見圖5(c)),需進一步分析原因。

為了進一步分析Ti、TiN對ITO/GaN歐姆接觸性能影響的微觀機理,對樣品截面進行EDS分析。對于插入Ti層的樣品而言,在700 ℃退火下(圖7中的B2∶ITO/Ti-700 ℃),ITO中的Sn和O穿過Ti出現在GaN表面,并且Ti區域有明顯的O元素出現,這與圖3中ITO/Ti/GaN的XRD圖譜中出現Ti2O3峰相互佐證。在850 ℃退火溫度下(圖7中的B3∶ITO/Ti-850 ℃),可以看到Ti發生擴散并且向空洞邊緣遷移,界面形成的空洞越多,遷移到空洞附近的Ti元素就會越多。說明在高溫退火下Ti層對GaN與ITO的接觸影響更劇烈,圖7中的B3∶ITO/Ti-850 ℃中有Ti2O3和TiO2峰相也可以證明上述結論,且溫度升高Ti與ITO及GaN熱失配更嚴重(界面形成空洞可以說明),影響了歐姆接觸質量,這也是使B3∶ITO/Ti-850 ℃表現為肖特基接觸(見圖5(b))的原因之一。對于插入TiN層的樣品來說,在700 ℃退火下(圖7中的C2∶ITO/TiN-700 ℃),ITO中的Sn和O穿過TiN擴散到GaN表面,TiN中Ti區域無明顯O元素出現,這與圖3中ITO/TiN/GaN的XRD圖譜中在700 ℃退火下無Ti氧化物峰相互佐證。在850 ℃退火下(圖7中的C3∶ITO/TiN-850 ℃),ITO/TiN界面有特別明顯的空洞,并且Ti區域有明顯的O元素出現,這與圖3中ITO/TiN/GaN的XRD圖譜中在850 ℃退火下有Ti2O3峰相互佐證,說明只有在更高退火溫度下與ITO接觸的TiN才會被氧化。但是插入TiN層的I-V曲線圖中,在退火前、后均表現出歐姆接觸特性,可能是高溫退火時間只有180 s,不足以使靠近GaN側TiN完全氧化,GaN表面仍然存在一定厚度的TiN,以維持歐姆接觸特性。進一步說明插入10 nm TiN可以在阻隔ITO向GaN表面擴散的同時使器件保持歐姆接觸,即磁控濺射TiN可以實現大而均勻的具有低接觸電阻和高熱穩定性的歐姆接觸。

3 結 論

本文通過使用AFM、PE、XRD、TEM及半導體參數儀對不同退火條件下無插入層、插入Ti和插入TiN的光導開關電極的表面形貌、透過率、物相、內部結構及元素、I-V曲線進行表征分析。結果表明,插入Ti層后樣品透過率從69.0%下降到38.3%,但插入TiN后樣品透過率只下降到55.0%,明顯高于Ti插入層樣品。TiN插入層樣品歐姆接觸的耐受溫度達到850 ℃,遠高于Ti插入層樣品。因此TiN插入層的樣品具有更高的光學透過率和更優的熱穩定性,這為GaN基光導開關歐姆接觸的研究提供了參考。