徐峰 于國浩 鄧旭光 李軍帥 張麗 宋亮范亞明 張寶順

1)(中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,蘇州 215123)2)(南京大學揚州光電研究院,揚州 225009)(2018年6月19日收到;2018年9月2日收到修改稿)

基于熱電子發(fā)射和熱電子場發(fā)射模式,利用I-V方法研究了Pt/Au/n-InGaN肖特基接觸的勢壘特性和電流輸運機理,結(jié)果表明,在不同背景載流子濃度下,Pt/Au/n-InGaN肖特基勢壘特性差異明顯.研究發(fā)現(xiàn),較低生長溫度制備的InGaN中存在的高密度施主態(tài)氮空位(VN)缺陷導致背景載流子濃度增高,同時通過熱電子發(fā)射模式擬合得到高背景載流子濃度的InGaN肖特基勢壘高度和理想因子與熱電子場發(fā)射模式下的結(jié)果差別很大,表明VN缺陷誘發(fā)了隧穿機理并降低了肖特基勢壘高度,相應的隧穿電流顯著增大了肖特基勢壘總的輸運電流,證實熱電子發(fā)射和缺陷輔助的隧穿機理共同構(gòu)成了肖特基勢壘的電流輸運機理.低背景載流子濃度的InGaN肖特基勢壘在熱電子發(fā)射和熱電子場發(fā)射模式下擬合的結(jié)果接近一致,表明熱電子發(fā)射是其主導的電流輸運機理.

1 引 言

三元合金銦鎵氮InxGa1?xN是直接帶隙半導體材料,通過改變金屬In的組分可使其帶隙寬度在0.7—3.4 eV的范圍內(nèi)連續(xù)變化,從而覆蓋了從近紅外到紫外的光譜區(qū)域.InGaN材料已成為制造高亮度發(fā)光二極管、高效半導體激光器的理想選擇,同時它在太陽電池和光電探測器等領(lǐng)域也有著非常廣泛的應用前景[1?6].肖特基勢壘器件在高速集成電路、微波技術(shù)等領(lǐng)域有著很好的應用前景,但InGaN材料的高質(zhì)量制備問題卻限制了其肖特基器件的發(fā)展和應用[7?10].利用金屬有機物化學氣相淀積方法制備高質(zhì)量InGaN薄膜材料的主要困難在于:InGaN表面金屬In分布不均勻[11],甚至會出現(xiàn)金屬In分凝現(xiàn)象,同時InN飽和平衡壓強高,分解溫度較低,In原子比Ga原子更難溶入六方晶格,導致InGaN材料存在大量缺陷,載流子遷移率較低[12].基于InGaN材料的肖特基勢壘的報道較少,Jang等[13]研究了不同退火溫度對Pt/n-InGaN肖特基勢壘特性的影響,Lin等[14]明確了氮化物表面氧化層的存在對肖特基勢壘高度和電子輸運機理的影響,Wang等[15]研究了不同襯底材料下的肖特基勢壘電流輸運機理,但上述結(jié)論所采用的肖特基勢壘質(zhì)量均不理想,同時材料中In組分均偏低,因此目前還沒有關(guān)于In組分大于10%的n-InGaN肖特基勢壘電流輸運機理的研究報道.本文針對光伏器件設(shè)計并制備了大面積的InGaN肖特基接觸,改變生長條件調(diào)控了In組分為30%的n-InGaN的載流子濃度,通過淀積Pt/Au電極研究了n-InGaN肖特基勢壘特性,最后根據(jù)熱電子發(fā)射(thermionic emission,TE)和熱電子場發(fā)射(thermionic field emission,TFE)模式綜合分析了Pt/Au/n-InGaN肖特基的電流輸運機理.

2 實 驗

采用金屬有機物化學氣相淀積方法生長實驗所用的In0.3Ga0.7N薄膜.首先在藍寶石C面襯底上低溫生長30 nm的GaN緩沖層,繼而生長2μm的高溫非故意摻雜GaN層,最后在750,730,700?C的不同反應溫度下生長非故意摻雜InGaN薄膜樣品,分別對應編號為A,B,C的肖特基勢壘樣品.制作金屬接觸之前,將各InGaN分別在丙酮、甲醇和乙醇中以等標準的表面清洗工藝超聲清洗3 min;淀積肖特基接觸之前,將各InGaN在濃度為10%鹽酸溶液中浸泡15 s以去除樣品表面的氧化層和可能存在的金屬In積聚.金屬接觸采用電子束蒸發(fā),歐姆電極所用金屬為Ti/Al/Ni/Au(20/120/30/50 nm),淀積后在600?C氮氣氛圍中快速退火15 s;肖特基接觸采用Pt/Au(5/5 nm)金屬,面積為2 mm×2 mm.InGaN材料的In組分通過X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)方法確定,背景載流子濃度通過范德堡霍耳效應得到,肖特基接觸I-V電學特性采用惠普半導體參數(shù)測試儀測試.

3 結(jié)果與討論

首先對上述在不同生長溫度下制備的InGaN薄膜樣品進行了XRD測試(圖1),掃描方式為ω-2θ.圖1中除了最強的GaN衍射峰外,還能觀察到各樣品較強的InGaN(0002)晶面的衍射峰.以確定實驗所采用的InxGa1?xN薄膜中的In組分.利用Vegard定律,根據(jù)InxGa1?xN(0002)衍射峰相對于GaN(0002)衍射峰的峰位移動計算了InxGa1?xN樣品的組分[16],并假設(shè)在GaN上外延制備的In-GaN樣品是完全弛豫的:

計算得到3個InxGa1?xN樣品In組分均為x=0.3,并且In組分偏差小于0.01,因此忽略由于In組分不同導致的對其肖特基勢壘特性的影響.進一步測試得到樣品A,B和C的(0002)面搖擺曲線半峰寬(full-width half-maximum FWHM)分別為324,639和728 arcsec.通常,對于六方結(jié)構(gòu)的III族氮化物材料,可利用下式估算薄膜中的螺位錯密度[17]:

其中Dscrew為螺位錯密度,β為FWHM,Burgers矢量長度b=0.5185 nm. 根據(jù)測得的(0002)面搖擺曲線FWHM計算得到樣品A,B和C的In0.3Ga0.7N螺位錯密度分別為2.09×108,8.12×108和1.05×109cm?3.

圖1 InGaN薄膜(0002)ω-2θ XRD譜Fig.1.XRD ω-2θ scans of the(0002)InGaN of samples A–C.

對各In0.3Ga0.7N樣品表面形貌進行了原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)測量(圖2),掃描范圍為5μm×5μm.可以發(fā)現(xiàn):750?C生長的In0.3Ga0.7N樣品A薄膜表面較為平整,屬于二維臺階流模式生長,表面粗糙度(RMS)為0.85 nm,而730,700?C的樣品B,C薄膜趨向于三維模式生長,表面均具有較大的晶粒起伏并且存在高密度V型位錯缺陷坑(V-pits),表面粗糙度RMS分別為4.31,6.62 nm,較低生長溫度導致的低表面吸附原子遷移率使薄膜缺陷形態(tài)受動力學控制[18].InGaN材料表面V-pits的產(chǎn)生主要是由于失配應變使In原子向螺位錯周圍聚集形成金屬In團簇,In團簇作為異面活性劑使(11ˉ20)晶面的表面能低于(0001)面,從而促使了V-pits的形成[19,20].綜合XRD和AFM的測試結(jié)果可知,較低生長溫度導致的高密度螺位錯缺陷對InGaN材料的晶體質(zhì)量和表面形貌均具有較為顯著的影響.

圖2 In0.3Ga0.7N樣品(a)A,(b)B,(c)C的AFM照片F(xiàn)ig.2.AFM surface morphology images of In0.3Ga0.7N(a)A,(b)B,(c)C.

室溫下通過Hall測試研究了In0.3Ga0.7N薄膜的電學性質(zhì),測得樣品A,B,C的InGaN載流子濃度分別是8.7×1016,5.7×1018和1.9×1019cm?3(圖3).從圖3可以看出,700?C生長的InGaN樣品背景載流子濃度比750?C的增加了兩個數(shù)量級,Lee等[21]的報道中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象,這主要是因為作為氮源的NH3在相對低溫下分解效率較低,導致反應氣氛中具有反應活性的N濃度不足,出現(xiàn)In:N化學配比大于1的現(xiàn)象,從而形成高密度的施主態(tài)氮空位(VN)缺陷,顯著增加了InGaN的背景載流子濃度;同時,與VN缺陷相關(guān)的高密度螺位錯會在InGaN中進一步作為導電路徑,極大地降低了InGaN的電阻率[22].另一方面,較高的生長溫度能夠壓制VN缺陷的形成[23],抑制了InGaN的背景載流子濃度.

圖3 InGaN樣品載流子濃度隨生長溫度的變化Fig.3.Variation of n-InGaN carrier concentration as a function of growth temperature.

通過TE和TFE模式進一步擬合分析了各In-GaN肖特基勢壘的電流輸運機理.TE模式僅考慮TE機理,TFE模式則包含了TE和隧穿機理.通常,當InGaN材料缺陷密度大于一定值(Ndefect>1019cm?3)時,需考慮肖特基勢壘界面隧穿機理的作用[12],隧穿機理極大地影響了肖特基接觸的勢壘特性[24].

在TE和TFE模式下對各InGaN樣品肖特基勢壘I-V實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到了肖特基勢壘高度和理想因子(n)隨載流子濃度的變化.圖4是根據(jù)TE和TFE模式對I-V數(shù)據(jù)的擬合曲線,擬合結(jié)果和Jang等[13]的研究數(shù)據(jù)列于表1中.TE和TFE模式的電流-電壓特性表達式分別為[22]

其中,I,V分別為肖特基勢壘正向電流和正向偏壓;肖特基勢壘面積S=2×10?2cm?2;n-In0.3Ga0.7N薄膜樣品有效理查遜常數(shù)A??=4qk2m?/h3=21 A·cm?2·K?2;k是玻爾茲曼常數(shù);q是電荷量;?B是有效勢壘高度;E0是隧穿系數(shù);理想因子Nc是導帶態(tài)密度.

通常,隧穿機理的形成與氧、VN缺陷相關(guān)的表面態(tài)以及界面氧化層有關(guān)[14],它會降低肖特基勢壘高度并增大理想因子[24].在TE模式下,擬合得到樣品A肖特基接觸的勢壘高度和理想因子分別是1.04 eV和1.10,非常接近于TFE模式擬合的結(jié)果(1.15 eV和1.05).肖特基勢壘理想因子的正常范圍在1.0—1.3[13],上述擬合結(jié)果表明樣品A肖特基勢壘輸運電流中的隧穿成分極少,VN相關(guān)表面態(tài)對勢壘電流輸運機理的影響可忽略.因此,利用低背景載流子濃度InGaN材料制備的肖特基接觸中,TE是其主導的載流子輸運機理.同時實驗結(jié)果也驗證了預先的有機溶液清洗和化學處理能夠有效去除界面氧化層.在圖4(a)中,當正向電壓V超過0.22 V時,I-V特性逐漸偏離了原來的線形關(guān)系,這種偏離是由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)和歐姆接觸的串聯(lián)電阻造成的.

圖4 InGaN肖特基勢壘I-V擬合圖 (a)樣品A;(b)樣品B和CFig.4.Forward I-V characteristics of Schottky barrier:(a)sample A;(b)sample B and C.

表1 TE和TFE模式下Pt/Au/n-InGaN肖特基勢壘特性Table 1.Summary of characteristics of Schottky contact on n-InGaN obtained using TE and TFE models.

相比于樣品A,利用高背景載流子濃度InGaN材料制備的肖特基接觸樣品B和C在TE和TFE兩種模式下的勢壘高度值均出現(xiàn)了明顯減小,同時它們的理想因子擬合值均遠超過1,表明InGaN樣品高密度VN缺陷導致其肖特基勢壘性能發(fā)生了衰減,肖特基接觸中存在VN缺陷輔助的隧穿機理[25].如表1數(shù)據(jù)所示,隧穿機理使TFE模式下的勢壘有效高度遠大于TE模式下的擬合值,并且TFE模式下的qE0/kT值均接近1,更證實了肖特基勢壘輸運電流中存在隧穿電流成分[26].因此,VN缺陷輔助的隧穿機理和TE綜合構(gòu)成了高背景載流子濃度InGaN肖特基勢壘的電流輸運機理.

在表1中,各InGaN肖特基勢壘高度隨背景載流子濃度的增加而減小,并且在圖4中可觀察到樣品B和C的總輸運電流明顯大于樣品A,這是由于高密度VN缺陷提高了背景載流子濃度,增加的載流子通過隧穿機理穿越勢壘,形成隧穿電流增加了總輸運電流.Hashizume等[27]研究認為非故意的表面施主缺陷會降低勢壘,從而增加通過勢壘的漏電流.另外,通過與Jang等[13]的低In組分In0.1Ga0.9N的工作對比發(fā)現(xiàn),InGaN材料中In組分越高,隨生長溫度降低,VN缺陷增加得越快,隧穿效應會進一步增強,因此高In組分InGaN肖特基勢壘隧穿效應更為明顯.

如圖5所示,在?4 V偏壓下,肖特基接觸樣品B和C的暗電流大小比樣品A的暗電流大5個量級,這主要歸因于InGaN高密度VN缺陷導致的勢壘高度降低.通常暗電流的大小對肖特基勢壘高度非常敏感,因此,InGaN表面缺陷密度的控制對Pt/Au/InGaN肖特基勢壘的性能提升以及高質(zhì)量肖特基光電子和光伏器件的制備至為重要.

圖5 Pt/Au/InGaN肖特基接觸的反向I-V特性Fig.5.Reverse I-V characteristics of Pt/Au/InGaN Schottky contacts.

4 結(jié) 論

本文對n-In0.3Ga0.7N薄膜上的Pt/Au肖特基勢壘進行了I-V測試,利用TE和TFE模式研究了Pt/Au/n-In0.3Ga0.7N肖特基勢壘在不同背景載流子濃度下的電流輸運機理,研究發(fā)現(xiàn),利用低背景載流子濃度InGaN材料制備的肖特基接觸中,未出現(xiàn)由于VN缺陷導致的隧穿電流,TE是其主導的電流輸運機理;較低溫度下生長的InGaN薄膜的載流子濃度由于高密度施主態(tài)VN缺陷而呈現(xiàn)指數(shù)增加,在利用高背景載流子濃度InGaN材料制備的肖特基接觸中,高密度VN缺陷惡化肖特基接觸的勢壘特性,導致肖特基勢壘有效高度降低,使TE和缺陷輔助的隧穿機理共同構(gòu)成了肖特基勢壘的電流輸運機理,隧穿電流的存在顯著增加了通過肖特基勢壘的總輸運電流.