孟文利,張育民,孫遠(yuǎn)航,王建峰,徐 科,3,4

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家示范性微電子學(xué)院,合肥 230026;2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(dǎo)體研究院,蘇州 215000)

0 引 言

光導(dǎo)開關(guān)是利用激光脈沖觸發(fā)光導(dǎo)半導(dǎo)體的固體開關(guān),具有響應(yīng)速度快、功率密度大、觸發(fā)抖動(dòng)小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、損耗小[1-3]等優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用于超寬帶雷達(dá)、THz發(fā)生器、介質(zhì)壁加速器等領(lǐng)域[4-5]。直接在GaN[6]上鍍金屬電極制作的光導(dǎo)開關(guān)在光態(tài)下存在載流子堆積[7-8]等問(wèn)題。銦錫氧化物(indium tin oxide, ITO)在可見光范圍內(nèi)具有90%以上透過(guò)率,因此ITO可以作為透明電極應(yīng)用于光導(dǎo)開關(guān)器件中,緩解采用金屬電極制備的常規(guī)光導(dǎo)開關(guān)中光生載流子不均勻現(xiàn)象,解決電流聚集問(wèn)題,并有助于開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)開關(guān)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(huì)形成歐姆接觸[14-16]。雖然在ITO/GaN間插入Ti或TiN層可以促進(jìn)歐姆接觸的形成,但是高溫退火會(huì)導(dǎo)致各層界面發(fā)生擴(kuò)散、相變、分解等過(guò)程,影響歐姆接觸的熱穩(wěn)定性。目前關(guān)于高溫退火對(duì)ITO/插入層/GaN結(jié)構(gòu)的光學(xué)透過(guò)率、歐姆接觸機(jī)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(duì)ITO與GaN之間歐姆接觸性能的影響。通過(guò)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(shí)間對(duì)ITO薄膜透過(guò)率、ITO與GaN歐姆接觸性能的影響。本研究開發(fā)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(duì)提高光導(dǎo)開關(guān)的電流均勻性具有重要幫助。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 光導(dǎo)開關(guān)器件制備

本次實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的Fe摻GaN樣品,其中Fe濃度為3×1019cm-3,位錯(cuò)密度為5×105cm-2。實(shí)驗(yàn)前對(duì)樣品進(jìn)行清洗,以去除GaN表面的氧化層、雜質(zhì)顆粒及損傷層等。之后使用磁控濺射儀(型號(hào)Z-1000)在GaN樣品表面沉積Ti、TiN插入層,并使用光學(xué)鍍膜機(jī)(型號(hào)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(duì)樣品進(jìn)行N2氣氛快速退火處理180 s,具體樣品信息和處理?xiàng)l件如表1所示。表中A、B與C分別代表ITO/GaN結(jié)構(gòu)、ITO/Ti/GaN結(jié)構(gòu)和ITO/TiN/GaN結(jié)構(gòu),其下角標(biāo)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(dǎo)開關(guān)器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 插入TiN層光導(dǎo)開關(guān)器件結(jié)構(gòu)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?xiàng)l件Table 1 Sample information and processing conditions

1.2 性能表征

使用半導(dǎo)體參數(shù)儀(Keithley,4200-SCS/F+SUSS PM8)對(duì)樣品進(jìn)行I-V測(cè)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(jì)(PE, PerkinElmer, LAMBDA750)測(cè)量350～832 nm波長(zhǎng)范圍的透過(guò)率光譜,使用粉末X射線衍射儀(XRD,Bruker AXSD8,Advance)對(duì)樣品進(jìn)行物相表征,使用透射電子顯微鏡(TEM,FEI,Talos F200X Scios)對(duì)樣品結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行表征。

2 結(jié)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(duì)ITO與GaN歐姆接觸影響的微觀機(jī)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(cè)試區(qū)域定為1 μm×1 μm,測(cè)得樣品粗糙度如表2所示,可以說(shuō)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(shuō)明高溫下ITO發(fā)生重結(jié)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(shuō)明插入層會(huì)也影響ITO的表面形貌及重結(jié)晶過(guò)程。

圖2 不同退火溫度下ITO表面AFM照片F(xiàn)ig.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?xiàng)l件對(duì)歐姆接觸性能的影響,使用粉末XRD對(duì)不同退火條件下三種結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行物相分析,研究物相對(duì)歐姆接觸及ITO薄膜透過(guò)率的影響。將所測(cè)量的不同退火溫度下樣品粉末XRD圖譜中的衍射峰數(shù)據(jù)高斯擬合出其半峰全寬(full width at half maximum, FWHM),再根據(jù)謝樂(lè)公式計(jì)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(duì)應(yīng),進(jìn)一步說(shuō)明插入層會(huì)影響ITO的表面形貌及重結(jié)晶過(guò)程。圖3(a)為無(wú)插入層樣品的XRD圖譜,在未退火下只有ITO相關(guān)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(xiàn)Ti2O3峰及在850 ℃退火下出現(xiàn)Ti2O3和TiO2峰,這說(shuō)明高溫下Ti與ITO中的O發(fā)生了反應(yīng)。圖3(c)為插入TiN層樣品的XRD圖譜,只在850 ℃下出現(xiàn)了Ti2O3峰,可能是TiN中的Ti與ITO中的O反應(yīng)。這說(shuō)明TiN在700 ℃時(shí)無(wú)法被氧化,當(dāng)溫度達(dá)到850 ℃時(shí)才會(huì)出現(xiàn)氧化反應(yīng)[17],結(jié)合后文中插入TiN層的I-V曲線圖,在退火前后均表現(xiàn)出歐姆接觸特性,進(jìn)一步證明了TiN作為插入層時(shí)熱穩(wěn)定性優(yōu)于Ti。

圖3 不同插入層樣品經(jīng)過(guò)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(xué)性能表征

圖4展示了不同插入層、不同退火處理?xiàng)l件下ITO/插入層/GaN結(jié)構(gòu)的透射光譜。從圖中可以看出,在532 nm波段下,無(wú)插入層的樣品(A1、A2與A3)透過(guò)率均大于69.0%,插入Ti層的樣品(B1、B2與B3)透過(guò)率均小于38.3%,明顯低于無(wú)插入層的樣品,這說(shuō)明Ti層的插入對(duì)透過(guò)率具有重要影響,而插入TiN層的樣品(C1、C2與C3)透過(guò)率在38.8%～55.0%,明顯高于插入Ti層的樣品。這說(shuō)明相對(duì)于Ti,TiN在532 nm波長(zhǎng)的光吸收更少,其原因是Ti是一種金屬,對(duì)可見光的吸收非常強(qiáng)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(guò)率。

圖4 不同插入層樣品經(jīng)過(guò)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(xué)性質(zhì)分析

圖5是不同插入層、不同退火處理?xiàng)l件下樣品的I-V曲線。如圖5(a)所示,無(wú)插入層光導(dǎo)開關(guān)在退火前呈現(xiàn)歐姆接觸特性,可能是In和Sn原子熱擴(kuò)散到GaN表面導(dǎo)致氮化鎵表面出現(xiàn)空位[18],氮化鎵表面的空位充當(dāng)供體形成功函數(shù)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(shí)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(xué)性質(zhì)還與ITO在高溫下的重結(jié)晶有關(guān)[20]。圖5(b)為插入Ti層的光導(dǎo)開關(guān)I-V曲線,在退火前和700 ℃退火下均表現(xiàn)出歐姆接觸特性,其原因可能是在退火過(guò)程中Ti與GaN表面的N空位反應(yīng)生成功函數(shù)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(shí)表現(xiàn)出肖特基接觸,主要與高溫下Ti原子的擴(kuò)散和氧化有關(guān),Ti原子的擴(kuò)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(dǎo)開關(guān)I-V曲線,退火前與退火后均表現(xiàn)出歐姆接觸特性。

圖5 不同插入層樣品經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)及成分表征

為了研究Ti、TiN插入層對(duì)ITO/GaN歐姆接觸影響的微觀機(jī)理,對(duì)樣品截面進(jìn)行TEM表征。對(duì)于無(wú)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(shí),在ITO/GaN界面出現(xiàn)空洞。對(duì)于插入Ti層的樣品來(lái)說(shuō),在700 ℃退火下(見圖6(b))界面較平整,Ti上下表面出現(xiàn)相同襯度物質(zhì),猜測(cè)是ITO穿過(guò)Ti到達(dá)GaN表面,后面的EDS測(cè)試結(jié)果證明了此猜測(cè)。而在850 ℃退火下(見圖6(e))界面出現(xiàn)明顯空洞,說(shuō)明在高溫退火下Ti原子的擴(kuò)散、氧化反應(yīng)更劇烈,這與文獻(xiàn)[23-24]報(bào)道的一致。退火溫度升高會(huì)促進(jìn)GaN/Ti界面TiN的生成,但又會(huì)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(jié)束后,最終在GaN/Ti界面無(wú)TiN生成,使樣品從歐姆接觸變?yōu)樾ぬ鼗佑|(見圖5(b))。對(duì)于插入TiN層的樣品來(lái)說(shuō),在700 ℃退火下(見圖6(c))界面較平整,TiN與GaN接觸區(qū)域出現(xiàn)白色襯度物質(zhì),與圖6(b)中的現(xiàn)象一致。而在850 ℃退火下(見圖6(f))界面出現(xiàn)明顯的空洞,結(jié)合圖3(c)中有Ti2O3相可以說(shuō)明在850 ℃的退火過(guò)程中TiN也發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但是C3∶ITO/TiN-850 ℃表現(xiàn)為歐姆接觸(見圖5(c)),需進(jìn)一步分析原因。

為了進(jìn)一步分析Ti、TiN對(duì)ITO/GaN歐姆接觸性能影響的微觀機(jī)理,對(duì)樣品截面進(jìn)行EDS分析。對(duì)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(guò)Ti出現(xiàn)在GaN表面,并且Ti區(qū)域有明顯的O元素出現(xiàn),這與圖3中ITO/Ti/GaN的XRD圖譜中出現(xiàn)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(fā)生擴(kuò)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(huì)越多。說(shuō)明在高溫退火下Ti層對(duì)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(jié)論,且溫度升高Ti與ITO及GaN熱失配更嚴(yán)重(界面形成空洞可以說(shuō)明),影響了歐姆接觸質(zhì)量,這也是使B3∶ITO/Ti-850 ℃表現(xiàn)為肖特基接觸(見圖5(b))的原因之一。對(duì)于插入TiN層的樣品來(lái)說(shuō),在700 ℃退火下(圖7中的C2∶ITO/TiN-700 ℃),ITO中的Sn和O穿過(guò)TiN擴(kuò)散到GaN表面,TiN中Ti區(qū)域無(wú)明顯O元素出現(xiàn),這與圖3中ITO/TiN/GaN的XRD圖譜中在700 ℃退火下無(wú)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(qū)域有明顯的O元素出現(xiàn),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(shuō)明只有在更高退火溫度下與ITO接觸的TiN才會(huì)被氧化。但是插入TiN層的I-V曲線圖中,在退火前、后均表現(xiàn)出歐姆接觸特性,可能是高溫退火時(shí)間只有180 s,不足以使靠近GaN側(cè)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(jìn)一步說(shuō)明插入10 nm TiN可以在阻隔ITO向GaN表面擴(kuò)散的同時(shí)使器件保持歐姆接觸,即磁控濺射TiN可以實(shí)現(xiàn)大而均勻的具有低接觸電阻和高熱穩(wěn)定性的歐姆接觸。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)使用AFM、PE、XRD、TEM及半導(dǎo)體參數(shù)儀對(duì)不同退火條件下無(wú)插入層、插入Ti和插入TiN的光導(dǎo)開關(guān)電極的表面形貌、透過(guò)率、物相、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及元素、I-V曲線進(jìn)行表征分析。結(jié)果表明,插入Ti層后樣品透過(guò)率從69.0%下降到38.3%,但插入TiN后樣品透過(guò)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(dá)到850 ℃,遠(yuǎn)高于Ti插入層樣品。因此TiN插入層的樣品具有更高的光學(xué)透過(guò)率和更優(yōu)的熱穩(wěn)定性,這為GaN基光導(dǎo)開關(guān)歐姆接觸的研究提供了參考。