TiN、Ti插入层对ITO与GaN欧姆接触性能影响的研究.pdf
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1、第 52 卷 第 9 期2023 年 9 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.9September,2023TiN、Ti 插入层对 ITO 与 GaN 欧姆接触性能影响的研究孟文利1,2,张育民2,3,4,孙远航2,王建峰2,3,4,徐 科1,2,3,4(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)摘要:透明半导体铟锡氧化物(ITO)作为电极能够降低光导开关电极边缘电
2、流集聚效应和提高脉冲激光的利用率。本文通过在 ITO 与 GaN 界面之间分别插入 10 nm 的 Ti 与 TiN,研究 Ti、TiN 对 ITO 与 GaN 欧姆接触性能的影响。I-V测试结果表明,随着退火温度升高,插入 TiN 的光导开关一直保持欧姆接触特性,而插入 Ti 的光导开关由欧姆接触转变为肖特基接触。通过 TEM 测试发现,当以 Ti 作为插入层时,ITO 通过插入层向插入层与 GaN 的界面扩散,在接触界面形成 Ti 的氧化物及空洞。透射光谱显示,不同退火温度下插入 Ti 层的透过率均低于 38.3%,而以 TiN 作为插入层时透过率为 38.8%55.0%。因此含有 TiN
3、 的光导开关具有更稳定的电学性能和更高的透过率,这为 GaN 光导开关在高温高功率领域的应用提供了参考。关键词:GaN 光导开关;ITO;Ti;TiN;欧姆接触中图分类号:O472+.4文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)09-1609-08Influence of TiN and Ti Insertion Layer on Ohmic ContactPerformance Between ITO and GaNMENG Wenli1,2,ZHANG Yumin2,3,4,SUN Yuanhang2,WANG Jianfeng2,3,4,XU Ke1,2,3,4(1.Scho
4、ol of Microelectronics,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;2.Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215123,China;3.Suzhou Nanowin Science and Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215123,China;4.Jiangsu Institute of Advanced Semiconductors
5、 Ltd.,Suzhou 215000,China)收稿日期:2023-03-07 基金项目:国家自然科学基金(12274360);国家重点研发计划(2022YFB3605402,2022YFB3604301,2022YFB3605200);苏州市重点产业技术创新项目(SGC2021081);江苏省重点研发计划(BE2020004,BE2021008)作者简介:孟文利(1993),女,安徽省人,硕士研究生。E-mail:mengwl 通信作者:王建峰,博士,研究员。E-mail:jfwang2006 徐 科,博士,研究员。E-mail:kxu2006 Abstract:The electrod
6、e made of transparent semiconductor indium tin oxide(ITO)can reduce the edge current crowdingeffect of photoconductive semiconductor switches and improve the utilization of pulse laser.In this paper,10 nm Ti and TiNlayer were inserted into the interface between ITO and GaN,and the influences of Ti a
7、nd TiN layer on the Ohmic contactperformance between ITO and GaN were studied.I-V test results show that with the increase of the annealing temperature,theGaN photoconductive semiconductor switch with Ti insertion layer changes from Ohmic contact to Schottky contact,while thephotoconductive semicond
8、uctor switch with TiN insertion layer keeps Ohmic contact characteristics.TEM observation showsthat when Ti is used as the insertion layer,ITO diffuses through the insertion layer to the interface between the insertion layerand GaN,resulting in the formation of Ti oxide and holes at the interface.Th
9、e transmission spectra show that the transmittanceof samples with Ti insertion layer is less than 38.3%at different annealing temperatures,while the transmittance is 38.8%55.0%when TiN is used as the insertion layer.Therefore,the photoconductive semiconductor switch containing TiN insertion layersho
10、ws a higher thermal stability and transmittance,which provides reference for the application of GaN photoconductivesemiconductor switch in the field of high temperature and high power.1610研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷Key words:GaN photoconductive semiconductor switch;ITO;Ti;TiN;Ohmic contact0 引 言光导开关是利用激光脉
11、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 GaN6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 tinoxide,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 T
12、i 或 TiN10-13,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
13、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 phaseepitaxy,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 I
14、TO 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。表 1 样品信息和处理条件Table 1 Sample information and processing conditionsSampleTi thickness/nmTiN thickness/nmAnneal
15、ing time/sAnnealing temperature/A10000A200180700A300180850B110000B2100180700B3100180850C101000C2010180700C30101808501.2 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
16、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。第 9 期孟文利等:TiN、Ti 插入层对 ITO 与 GaN 欧姆接触性能影响的研究1611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 layer2 结果与讨论2.1 表面形貌与物相分析为
17、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 m 1 m,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)
18、,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 temperatures1612研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷表 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 samplesSample(222 peak)FWH
19、M/()Peak position,2/()Crystallite size/nmRa/nmA10.18130.744.959 672.58A20.17930.745.462 012.66A30.16530.749.319 392.48B10.15230.753.537 502.48B20.14330.756.906 992.90B30.14030.758.126 438.07C10.15130.753.892 051.71C20.14630.755.737 672.86C30.13930.758.544 602.91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
20、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
21、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 patt
22、erns of samples with different insertion layers annealed at different temperatures 第 9 期孟文利等:TiN、Ti 插入层对 ITO 与 GaN 欧姆接触性能影响的研究16132.2 光学性能表征图 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 differentinsertion layers annealed at different temperatures图 4 展示了不同插入层、不同退火处理条件下ITO/插入层/Ga
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