n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的制備及其電學(xué)性能研究

王 婷，趙紅莉，郭世偉，姚 娟，李 爽，符躍春，沈曉明，何 歡

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

0 引 言

In1-xGaxN合金是目前研究比較熱門(mén)的寬帶隙半導(dǎo)體，其帶隙(0.7～3.4 eV)可以在整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有高電子遷移率和高抗輻射等性能[1-2]，在太陽(yáng)電池、發(fā)光二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、紫外探測(cè)器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。許多商業(yè)產(chǎn)品和InGaN基太陽(yáng)電池的報(bào)道都使用了富含Ga的InGaN層，但是卻很少使用富In的InGaN材料。理論研究[5-6]表明，高In組分InGaN基太陽(yáng)電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，如果采用高In組分InGaN薄膜作為激活層應(yīng)用在紅光發(fā)射光電子器件領(lǐng)域，GaAs材料體系則有可能被Ⅲ族氮化物材料所替代，這可以減輕對(duì)環(huán)境的污染。通常，分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)和脈沖激光沉積(PLD)等技術(shù)被廣泛用于制造Ⅲ族氮化物合金，雖然目前已有報(bào)導(dǎo)使用MOVPE和MBE方法制備高In組分InxGa1-xN合金[7-8]，但是還沒(méi)有制備出具備器件質(zhì)量的富In組分InxGa1-xN薄膜，尤其是In組分在20%～60%范圍內(nèi)的InxGa1-xN薄膜[9]。目前，高質(zhì)量富In單晶InGaN薄膜的制備仍存在一些技術(shù)難題，如相分離、In滴、缺陷密度高等問(wèn)題，極大地限制了InGaN材料的應(yīng)用，而且InGaN異質(zhì)結(jié)器件的性能主要受到InGaN薄膜的質(zhì)量、In組分、緩沖層質(zhì)量及界面狀態(tài)等因素的影響[10]，因此制備富In高質(zhì)量InGaN薄膜至關(guān)重要。

本研究在傳統(tǒng)PLD技術(shù)上，采用組合靶材并對(duì)激光光路進(jìn)行改造，通過(guò)改變激光能量的比例來(lái)控制InxGa1-xN薄膜中的In組分。本文采用自改裝的雙光路雙靶材PLD技術(shù)在p型Si(100)基片上直接生長(zhǎng)了In組分為35%的單晶InGaN薄膜，對(duì)薄膜的顯微組織結(jié)構(gòu)和In0.35Ga0.65N/Si異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用具有雙光路雙靶材的PLD系統(tǒng)在p-Si(100)襯底上外延生長(zhǎng)InGaN薄膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。In-GaN雙靶材由圓形GaN靶嵌入環(huán)形In靶內(nèi)組成。沉積薄膜之前，依次用去離子水、HF(5%質(zhì)量分?jǐn)?shù))、丙酮、無(wú)水乙醇對(duì)Si襯底超聲清洗10 min，然后將其送入沉積室，靶材與襯底的距離設(shè)置為6 cm。當(dāng)沉積室的本底真空達(dá)到5.0×10-5Pa后，將襯底溫度升至380 ℃，并通入高純N2(99.999%體積分?jǐn)?shù))將工作氣壓保持在10 Pa。KrF激光束(λ=248 nm)被分光器分成兩束，經(jīng)聚焦后分別照射在In靶材和GaN靶材上，總的激光能量和頻率分別為100 mJ/pulse和5 Hz，沉積時(shí)間為3 h。

圖1 雙光路雙靶材PLD系統(tǒng)示意圖

采用X射線衍射儀(XRD，Rigaku D/MAX 2500)、原子力顯微鏡(AFM，Agilent 5500)和X射線光電子能譜儀(XPS，Escalab 250Ⅺ)對(duì)InGaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌及化學(xué)組成進(jìn)行了表征。采用橢圓偏振光譜儀(SE，Ecoptics ME-L)測(cè)量了InGaN薄膜的厚度，在0.55 T磁場(chǎng)條件下對(duì)InGaN薄膜進(jìn)行了霍爾(Hall)效應(yīng)(Ecopia HMS-3000)測(cè)量。采用Keithley-2400源表測(cè)量了InGaN/Si異質(zhì)結(jié)的電流-電壓(I-V)特性，其中InGaN薄膜上的Au電極采用離子濺射法沉積，Si襯底背面的In-Ga合金電極采用磁控濺射法沉積，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 InGaN/Si異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 InGaN薄膜的顯微組織結(jié)構(gòu)

圖3是InGaN外延薄膜的XRD圖譜。可以看到，在衍射角2θ=33.34°處存在一個(gè)尖銳的InGaN(0002)衍射峰，表明薄膜的結(jié)晶性好，且沿[0001]方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。根據(jù)Vegard定律和X射線衍射公式[11]：

圖3 InGaN薄膜的XRD圖譜

cInGaN=(1-x)cGaN+xcInN

(1)

2dsinθ=λ

(2)

式中，x是In的原子含量，cInGaN是InGaN的c軸晶格常數(shù)，cGaN是GaN的c軸晶格常數(shù)，cInN是InN的c軸晶格常數(shù)，d是晶面間距，θ是掠射角，λ是X射線的波長(zhǎng)。經(jīng)計(jì)算得到InGaN薄膜中In的組分為35%。圖4是In0.35Ga0.65N薄膜的AFM表面形貌圖，薄膜表面的晶粒均勻致密，粗糙度僅為4.3 nm，但薄膜表面存在凹坑缺陷。經(jīng)橢偏光譜擬合得到In0.35Ga0.65N薄膜的厚度為477 nm。

圖4 In0.35Ga0.65N薄膜的AFM表面形貌圖

圖5是In0.35Ga0.65N薄膜表面的XPS全譜圖。薄膜中含有In、Ga、N、C和O元素，由峰面積計(jì)算得到的各元素原子濃度如表1所示，其中結(jié)合能數(shù)據(jù)用C1s(284.8 eV)進(jìn)行校準(zhǔn)。可以看到，In0.35Ga0.65N薄膜表面的(In+Ga)/N原子比大于1，表明薄膜表面N缺乏。但I(xiàn)n的原子含量為8%，遠(yuǎn)低于由XRD測(cè)定的In原子含量(x=35%)，這可能是由薄膜表面In和Ga原子的分布不均勻造成的[12-13]。此外還可看到，薄膜表面被O(原子含量高達(dá)30%)和C(原子含量高達(dá)20%)元素污染。為了分析In0.35Ga0.65N薄膜的表面化學(xué)狀態(tài)，圖6給出了In3d5/2、Ga3d和N1s的高分辨率XPS譜圖及其分峰擬合結(jié)果，表2是In、Ga和N光電子峰在不同結(jié)合能時(shí)對(duì)應(yīng)的化學(xué)狀態(tài)。In3d5/2峰對(duì)應(yīng)InNxOy(445.5 eV)[13]和In2O3(444.9 eV)[14]，Ga3d峰對(duì)應(yīng)GaN(19.7 eV)[15]與Ga2O3(20.2 eV)[16]，N1s主要是以GaN(397.8 eV)和InN(396.5 eV)化學(xué)狀態(tài)存在[17]，在394.5 eV處還存在一個(gè)未知的光電子峰。

圖5 In0.35Ga0.65N薄膜表面的XPS全譜圖

表1 InxGa1-xN薄膜表面各元素的原子濃度

圖6 In0.35Ga0.65N薄膜表面In3d5/2, Ga3d和N1s的高分辨XPS譜圖及其分峰擬合

表2 In0.35Ga0.65N薄膜表面In、Ga、N元素的高分辨XPS擬合結(jié)果

2.2 In0.35Ga0.65N薄膜的電學(xué)性能

采用范德堡法對(duì)In0.35Ga0.65N薄膜進(jìn)行Hall效應(yīng)測(cè)量，測(cè)量面積為0.5 cm×0.5 cm，使用銦錫焊點(diǎn)作為歐姆接觸電極。測(cè)試結(jié)果表明，In0.35Ga0.65N薄膜呈n型特性，這可能是由薄膜中的氮空位引起的，理論研究表明氮空位是非故意摻雜InGaN合金中的施主[18-19]。表3是n-In0.35Ga0.65N薄膜的Hall測(cè)量結(jié)果。薄膜具有低的電阻率(3.93×10-3Ω·cm)、高的截流子濃度(9.93×1018cm-3)和高的電子遷移率(1.60×102cm2/(V·s))，其遷移率比Kazazis等[18]制備的In0.35Ga0.65N薄膜的遷移率(7.6 cm2/(V·s))高出20倍以上，這與薄膜的高結(jié)晶質(zhì)量密切相關(guān)。

表3 In0.35Ga0.65N薄膜的室溫電學(xué)性能

2.3 n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的I-V特性

圖7是n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)室溫下的電流密度-電壓(J-V)曲線，異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出良好的整流特性，在電壓為±4 V時(shí)的整流比為25。異質(zhì)結(jié)的開(kāi)路電壓為1.32 V，隨著正向偏壓的增大，擴(kuò)散電流明顯增加，表明In0.35Ga0.65N薄膜具有良好的表面狀態(tài)。在反向電壓為4 V時(shí)，漏電流密度為0.01 mA/cm2，反向電阻率為7 777.8 kΩ·cm。

圖7 n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

根據(jù)熱電子發(fā)射模型，可計(jì)算得到n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的其他電學(xué)參數(shù)。p-n結(jié)的I-V特性通常用以下公式表示[20]：

(3)

(4)

其中，IS是反向飽和電流，q是電荷，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，n是理想因子，A是異質(zhì)結(jié)的面積，為0.35 cm2,A*是理查森常數(shù)，φb是勢(shì)壘高度。對(duì)于V>50～100 mV，公式(3)中的-1項(xiàng)可以忽略，因此公式(3)可以簡(jiǎn)化為：

(5)

對(duì)等式(5)兩邊取對(duì)數(shù)可以得出：

(6)

當(dāng)繪制ln(I)-V曲線時(shí)，通過(guò)擬合ln(I)-V曲線的正向偏置區(qū)域直線的斜率可以計(jì)算得到n，如圖8所示。通過(guò)截距可以得到反向飽和電流IS，經(jīng)擬合計(jì)算得到n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的IS為1.05×10-8A，φb為0.86 eV，理想因子n為6.87。對(duì)于理想二極管，只有純熱電子發(fā)射，n幾乎等于1。但是在大多數(shù)情況下，由于勢(shì)壘高度的不均勻性、界面態(tài)的存在或硅上氧化物層的存在等，n通常大于1。通過(guò)擬合得到的n值較大，說(shuō)明其與理想二極管存在一定偏差，這很可能是由成分變化或界面缺陷導(dǎo)致的界面不均勻造成的[21-22]。由于界面缺陷狀態(tài)的存在會(huì)引起其他傳輸現(xiàn)象，因此本文進(jìn)一步研究了n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)在較低和較高電壓下的傳輸機(jī)理，對(duì)異質(zhì)結(jié)I-V曲線取雙對(duì)數(shù)進(jìn)行了分析，如圖9所示，圖中插圖為較低電壓下的I-V曲線?？梢钥吹?，曲線中存在兩個(gè)明顯不同的區(qū)域。區(qū)域I(<0.3 V)中的電流遵循線性關(guān)系，即I-V，表明電流傳輸符合歐姆定律，此時(shí)的電子傳輸機(jī)制是熱輔助載流子隧穿。在區(qū)域Ⅱ(0.3～4 V)中，電流以I～exp(αV)的關(guān)系呈指數(shù)增長(zhǎng)，其中α定義為[22]：

圖8 n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的ln(I)-V伏安曲線

圖9 n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的lgI-lgV曲線

(7)

3 結(jié) 論

本文采用雙光路雙靶材PLD系統(tǒng)在Si(100)襯底上成功制備出了高質(zhì)量的單晶InGaN薄膜，薄膜呈[0001]取向擇優(yōu)生長(zhǎng)，表面平整致密且均勻，In的原子含量為35%?；魻栃?yīng)測(cè)量表明In0.35Ga0.65N薄膜為n型半導(dǎo)體，具有高載流子濃度(9.93×1018cm-3)、高霍爾電子遷移率(1.60×102cm2/(V·s))和低電阻率(3.93×10-3Ω·cm)。n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)具有良好的整流特性，整流比為25，開(kāi)啟電壓為1.32 V。通過(guò)擬合得到p-n結(jié)的反向飽和電流為1.05×10-8A，勢(shì)壘高度為0.86 eV，理想因子n為6.87。n-In0.35Ga0.65N/p-Si異質(zhì)結(jié)的電流傳輸中存在熱輔助載流子隧穿和復(fù)合隧穿兩種傳輸機(jī)制。本課題組接下來(lái)的工作是進(jìn)一步提高InGaN薄膜的晶體質(zhì)量，改善InGaN/Si異質(zhì)結(jié)的界面狀態(tài)，進(jìn)一步提高器件的性能。