TiN、Ti插入层对ITO与GaN欧姆接触性能影响的研究

孟文利,张育民,孙远航,王建峰,徐 科,3,4

(1.中国科学技术大学国家示范性微电子学院,合肥 230026;2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215123;3.苏州纳维科技股份有限公司,苏州 215123;4.江苏第三代半导体研究院,苏州 215000)

0 引 言

光导开关是利用激光脉冲触发光导半导体的固体开关,具有响应速度快、功率密度大、触发抖动小、抗电磁干扰能力强、体积小、损耗小[1-3]等优点,可以应用于超宽带雷达、THz发生器、介质壁加速器等领域[4-5]。直接在GaN[6]上镀金属电极制作的光导开关在光态下存在载流子堆积[7-8]等问题。铟锡氧化物(indium tin oxide, ITO)在可见光范围内具有90%以上透过率,因此ITO可以作为透明电极应用于光导开关器件中,缓解采用金属电极制备的常规光导开关中光生载流子不均匀现象,解决电流聚集问题,并有助于开发新型结构的光导开关器件。一般情况下GaN与ITO是肖特基接触[9],而在GaN与ITO之间插入一层Ti或TiN[10-13],高温退火后会形成欧姆接触[14-16]。虽然在ITO/GaN间插入Ti或TiN层可以促进欧姆接触的形成,但是高温退火会导致各层界面发生扩散、相变、分解等过程,影响欧姆接触的热稳定性。目前关于高温退火对ITO/插入层/GaN结构的光学透过率、欧姆接触机理的研究较少。

本文主要研究在不同退火条件下Ti、TiN插入层对ITO与GaN之间欧姆接触性能的影响。通过磁控溅射在GaN与ITO之间插入不同厚度的Ti与TiN,研究退火温度、退火时间对ITO薄膜透过率、ITO与GaN欧姆接触性能的影响。本研究开发了一套半绝缘GaN单晶衬底上具有良好欧姆接触性能的透明电极的制备工艺,这对提高光导开关的电流均匀性具有重要帮助。

1 实 验

1.1 光导开关器件制备

本次实验所采用的GaN样品是苏州纳维科技股份有限公司利用氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)法生长的Fe掺GaN样品,其中Fe浓度为3×1019cm-3,位错密度为5×105cm-2。实验前对样品进行清洗,以去除GaN表面的氧化层、杂质颗粒及损伤层等。之后使用磁控溅射仪(型号Z-1000)在GaN样品表面沉积Ti、TiN插入层,并使用光学镀膜机(型号OTFC-900)在样品表面沉积200 nm的ITO薄膜,接着使用快速退火炉对样品进行N2气氛快速退火处理180 s,具体样品信息和处理条件如表1所示。表中A、B与C分别代表ITO/GaN结构、ITO/Ti/GaN结构和ITO/TiN/GaN结构,其下角标1、2、3分别表示未退火、700 ℃退火和850 ℃退火,中间层Ti和TiN薄膜厚度均为10 nm,插入TiN层光导开关器件结构如图1所示。

图1 插入TiN层光导开关器件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of photoconductive semiconductor switch with the TiN insertion layer

表1 样品信息和处理条件Table 1 Sample information and processing conditions

1.2 性能表征

使用半导体参数仪(Keithley,4200-SCS/F+SUSS PM8)对样品进行I-V测试,使用原子力显微镜(AFM,Veeco, Dimension 3100)观察样品表面形貌,使用紫外-可见-近红外分光光度计(PE, PerkinElmer, LAMBDA750)测量350～832 nm波长范围的透过率光谱,使用粉末X射线衍射仪(XRD,Bruker AXSD8,Advance)对样品进行物相表征,使用透射电子显微镜(TEM,FEI,Talos F200X Scios)对样品结构和成分进行表征。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌与物相分析

为了分析Ti和TiN作为插入层对ITO与GaN欧姆接触影响的微观机理,使用AFM观察未退火条件下Ti和TiN的表面形貌。其中Ti表面粗糙度(Ra)为0.578 nm,TiN表面粗糙度为0.769 nm,表面没有明显的起伏,均适合作为插入层。

图2为退火前、700和850 ℃退火处理的不同样品表面AFM照片,为了更加清晰地表征表面状况,测试区域定为1 μm×1 μm,测得样品粗糙度如表2所示,可以说明不同退火温度下ITO薄膜均具有良好的表面形貌。但是从图2可知,随退火温度的提高,相同插入层样品ITO的晶粒尺寸明显增加(晶粒尺寸变化见表2),说明高温下ITO发生重结晶。不同插入层样品在相同退火温度下表面形貌也存在差异,说明插入层会也影响ITO的表面形貌及重结晶过程。

图2 不同退火温度下ITO表面AFM照片Fig.2 AFM images of ITO at different annealing temperatures

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

为了研究不同插入层、不同退火处理条件对欧姆接触性能的影响,使用粉末XRD对不同退火条件下三种结构的样品进行物相分析,研究物相对欧姆接触及ITO薄膜透过率的影响。将所测量的不同退火温度下样品粉末XRD图谱中的衍射峰数据高斯拟合出其半峰全宽(full width at half maximum, FWHM),再根据谢乐公式计算出ITO晶粒尺寸(见表2),可知随着退火温度增加ITO的晶粒尺寸逐渐增加,与图2中ITO表面形貌中晶粒尺寸变化相对应,进一步说明插入层会影响ITO的表面形貌及重结晶过程。图3(a)为无插入层样品的XRD图谱,在未退火下只有ITO相关的峰位。图3(b)为插入Ti层样品的XRD图谱,除观察到ITO峰位外,在700 ℃退火下出现Ti2O3峰及在850 ℃退火下出现Ti2O3和TiO2峰,这说明高温下Ti与ITO中的O发生了反应。图3(c)为插入TiN层样品的XRD图谱,只在850 ℃下出现了Ti2O3峰,可能是TiN中的Ti与ITO中的O反应。这说明TiN在700 ℃时无法被氧化,当温度达到850 ℃时才会出现氧化反应[17],结合后文中插入TiN层的I-V曲线图,在退火前后均表现出欧姆接触特性,进一步证明了TiN作为插入层时热稳定性优于Ti。

图3 不同插入层样品经过不同退火温度后的粉末XRD图谱Fig.3 Powder XRD patterns of samples with different insertion layers annealed at different temperatures

2.2 光学性能表征

图4展示了不同插入层、不同退火处理条件下ITO/插入层/GaN结构的透射光谱。从图中可以看出,在532 nm波段下,无插入层的样品(A1、A2与A3)透过率均大于69.0%,插入Ti层的样品(B1、B2与B3)透过率均小于38.3%,明显低于无插入层的样品,这说明Ti层的插入对透过率具有重要影响,而插入TiN层的样品(C1、C2与C3)透过率在38.8%～55.0%,明显高于插入Ti层的样品。这说明相对于Ti,TiN在532 nm波长的光吸收更少,其原因是Ti是一种金属,对可见光的吸收非常强烈。因此,TiN比Ti更适合作为GaN与ITO的插入层,从而提高光的透过率。

图4 不同插入层样品经过不同退火温度后的透射光谱Fig.4 Transmission spectra of samples with different insertion layers annealed at different temperatures

2.3 电学性质分析

图5是不同插入层、不同退火处理条件下样品的I-V曲线。如图5(a)所示,无插入层光导开关在退火前呈现欧姆接触特性,可能是In和Sn原子热扩散到GaN表面导致氮化镓表面出现空位[18],氮化镓表面的空位充当供体形成功函数较低的InN[19]。而在700和850 ℃退火后为肖特基接触,可能是温度升高时GaN表面生成的InN在高温下分解[18-19],并且图2表面形貌分析及图3的XRD图谱表明,电学性质还与ITO在高温下的重结晶有关[20]。图5(b)为插入Ti层的光导开关I-V曲线,在退火前和700 ℃退火下均表现出欧姆接触特性,其原因可能是在退火过程中Ti与GaN表面的N空位反应生成功函数较低的TiN[21-22],这有利于欧姆接触性能的提升。但是在850 ℃退火时表现出肖特基接触,主要与高温下Ti原子的扩散和氧化有关,Ti原子的扩散和氧化抑制了TiN的生成,最终影响了ITO与GaN的欧姆接触性能。图5(c)为插入TiN层的光导开关I-V曲线,退火前与退火后均表现出欧姆接触特性。

图5 不同插入层样品经过不同退火温度后的I-V特性曲线Fig.5 I-V characteristic curves of samples with different insertion layers annealed at different temperatures

2.4 结构及成分表征

为了研究Ti、TiN插入层对ITO/GaN欧姆接触影响的微观机理,对样品截面进行TEM表征。对于无插入层样品,700 ℃退火条件下(见图6(a))GaN界面形貌比较平整,而在850 ℃退火(见图6(d))时,在ITO/GaN界面出现空洞。对于插入Ti层的样品来说,在700 ℃退火下(见图6(b))界面较平整,Ti上下表面出现相同衬度物质,猜测是ITO穿过Ti到达GaN表面,后面的EDS测试结果证明了此猜测。而在850 ℃退火下(见图6(e))界面出现明显空洞,说明在高温退火下Ti原子的扩散、氧化反应更剧烈,这与文献[23-24]报道的一致。退火温度升高会促进GaN/Ti界面TiN的生成,但又会加速Ti/ITO界面处TiN的氧化,即在界面生成TiN速率低于TiN氧化速率[17],退火结束后,最终在GaN/Ti界面无TiN生成,使样品从欧姆接触变为肖特基接触(见图5(b))。对于插入TiN层的样品来说,在700 ℃退火下(见图6(c))界面较平整,TiN与GaN接触区域出现白色衬度物质,与图6(b)中的现象一致。而在850 ℃退火下(见图6(f))界面出现明显的空洞,结合图3(c)中有Ti2O3相可以说明在850 ℃的退火过程中TiN也发生化学反应,但是C3∶ITO/TiN-850 ℃表现为欧姆接触(见图5(c)),需进一步分析原因。

为了进一步分析Ti、TiN对ITO/GaN欧姆接触性能影响的微观机理,对样品截面进行EDS分析。对于插入Ti层的样品而言,在700 ℃退火下(图7中的B2∶ITO/Ti-700 ℃),ITO中的Sn和O穿过Ti出现在GaN表面,并且Ti区域有明显的O元素出现,这与图3中ITO/Ti/GaN的XRD图谱中出现Ti2O3峰相互佐证。在850 ℃退火温度下(图7中的B3∶ITO/Ti-850 ℃),可以看到Ti发生扩散并且向空洞边缘迁移,界面形成的空洞越多,迁移到空洞附近的Ti元素就会越多。说明在高温退火下Ti层对GaN与ITO的接触影响更剧烈,图7中的B3∶ITO/Ti-850 ℃中有Ti2O3和TiO2峰相也可以证明上述结论,且温度升高Ti与ITO及GaN热失配更严重(界面形成空洞可以说明),影响了欧姆接触质量,这也是使B3∶ITO/Ti-850 ℃表现为肖特基接触(见图5(b))的原因之一。对于插入TiN层的样品来说,在700 ℃退火下(图7中的C2∶ITO/TiN-700 ℃),ITO中的Sn和O穿过TiN扩散到GaN表面,TiN中Ti区域无明显O元素出现,这与图3中ITO/TiN/GaN的XRD图谱中在700 ℃退火下无Ti氧化物峰相互佐证。在850 ℃退火下(图7中的C3∶ITO/TiN-850 ℃),ITO/TiN界面有特别明显的空洞,并且Ti区域有明显的O元素出现,这与图3中ITO/TiN/GaN的XRD图谱中在850 ℃退火下有Ti2O3峰相互佐证,说明只有在更高退火温度下与ITO接触的TiN才会被氧化。但是插入TiN层的I-V曲线图中,在退火前、后均表现出欧姆接触特性,可能是高温退火时间只有180 s,不足以使靠近GaN侧TiN完全氧化,GaN表面仍然存在一定厚度的TiN,以维持欧姆接触特性。进一步说明插入10 nm TiN可以在阻隔ITO向GaN表面扩散的同时使器件保持欧姆接触,即磁控溅射TiN可以实现大而均匀的具有低接触电阻和高热稳定性的欧姆接触。

3 结 论

本文通过使用AFM、PE、XRD、TEM及半导体参数仪对不同退火条件下无插入层、插入Ti和插入TiN的光导开关电极的表面形貌、透过率、物相、内部结构及元素、I-V曲线进行表征分析。结果表明,插入Ti层后样品透过率从69.0%下降到38.3%,但插入TiN后样品透过率只下降到55.0%,明显高于Ti插入层样品。TiN插入层样品欧姆接触的耐受温度达到850 ℃,远高于Ti插入层样品。因此TiN插入层的样品具有更高的光学透过率和更优的热稳定性,这为GaN基光导开关欧姆接触的研究提供了参考。