氧流量对电子束蒸发ITO薄膜特性影响的研究*

刘晓燕，任 远，刘久澄，刘宁炀，张 康，黄朝辉，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院, 广东 广州 510650



氧流量对电子束蒸发ITO薄膜特性影响的研究*

刘晓燕，任 远，刘久澄，刘宁炀，张 康，黄朝辉，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院, 广东 广州 510650

研究电子束蒸发ITO过程中，氧流量对制备的ITO薄膜形貌以及电阻率的影响，并分析了其影响的机理.结果表明，在保持温度、真空度、转速和生长速率不变的条件下，氧流量为2 sccm时，制备的ITO薄膜最优，其电阻率为2.2×10-4Ω·cm，在450～460 nm处的透过率超过98%，折射率为1.7.

氧流量；电子束蒸发；ITO；电阻率；透过率

LED具有绿色、节能、高效等优点，被认为是可以替代白炽灯、荧光灯等传统照明的绿色光源.在固态光源方面，发光效率高且寿命长的GaN基紫光、蓝光及白光发光二极管等器件已实现商品化，掀起了半导体照明革命.由GaN基蓝光LED与荧光粉制作的白光光源，其效率已经超越了传统照明的荧光灯，并且凭其优异的性能已经在照明和显示领域广泛应用.

在GaN基LED结构中，p-GaN材料的掺杂元素Mg容易被H元素钝化，形成Mg-H键，所以对p-GaN材料很难实现较高载流子浓度的掺杂.同时，由于p-GaN很薄，电流扩展能力很差，所以需在其表面沉积一层导电层作为p-GaN的欧姆接触层和电流扩展层.起初，研究人员采用Pt/Ni/Au，Pd/Ni/Au和Rh/Ni等具有较大功函数的金属制作p-GaN 的欧姆接触电极，其比接触电阻率达10-6～10-3Ω·cm2量级[1-3].然而在正装结构LED中，p-GaN作为出光面，纯金属体系的欧姆接触不能满足透光的要求，所以人们对透明欧姆接触电极进行了大量研究.研究最多的为ITO，NiAu，TaTi和ZnO等[4-9].由于ITO材料对蓝光的透光率大于90%，同时又具有优异的导电性能，因此ITO材料被广泛的应用于蓝光LED芯片[10-11].

本研究是采用电子束蒸发工艺制备ITO薄膜，并通过改变蒸发过程中的氧流量制得不同的ITO薄膜，然后对其形貌、导电率、透过率和折射率进行表征，以获得最优的导电性和透过率的ITO薄膜的制备条件，这对进一步提高GaN基LED的光提取效率意义重大.

1 实验部分

1.1 ITO薄膜的制备

采用电子束蒸发的方法在石英片上蒸镀ITO薄膜，通过改变蒸发过程中的氧流量，研究ITO薄膜性质的变化.首先对石英片进行清洗：用 52 ℃丙酮清洗5 min， 73 ℃乙醇清洗5 min，再用去离子水冲洗三次，最后用氮气枪吹干备用.将清洗干净的石英片放入Peva-600I型电子束蒸发台中，用m(In2O3)︰m(SnO2)=95︰5的ITO靶材，在保持电子束蒸发温度300 ℃、真空度4.0×10-4Pa、转速10 r/min和生长速率0.1 nm/s的条件下，通过改变氧流量来制备不同的ITO薄膜.

1.2 ITO薄膜的表征

采用FEI Quanta 650扫描电镜对ITO的形貌进行表征；用上海乾峰电子仪器SB120/2方阻测试仪对ITO的方阻进行表征；用岛津UV2600紫外分光光度计对ITO的透过率进行表征；用HORIBA UVISEL椭偏仪对ITO的折射率进行表征.

2 试验结果与分析

2.1 氧流量对ITO薄膜形貌的影响

图1为氧流量分别为12，6，3，2.5，2 sccm的条件下生长的ITO薄膜的形貌.由图1可看出，当氧流量为12 sccm时，制得的ITO薄膜非常致密.当氧流量降至6 sccm时，制得的ITO薄膜呈现直径几十纳米的圆形颗粒状；当氧流量降至3 sccm时，ITO薄膜的颗粒直径变大，但是形状未发生改变.当氧流量继续降低为2.5，2 sccm时，ITO薄膜的颗粒由圆形变为不规则的形状，同时颗粒尺寸变大.

这是由于在电子束蒸发ITO的过程中，通过电子束加热使坩埚里的ITO源熔融，在高温下ITO源内成分In2O3和SnO2分解成含有部分金属In和Sn的ITO源并向蒸发架移动.在一定的氧流量范围内，随着氧流量的降低，In和Sn与氧接触的机会减少，与氧原子形成氧化物的几率减小，成核几率减小，促进了新形成的In2O3与SnO2在已成核晶粒上的生长，所以得到的ITO的颗粒度在不断的增加.

2.2 氧流量对ITO薄膜电阻率的影响

ITO薄膜的方块电阻是电学性能的基本参数，实验中主要通过测量薄膜的方块电阻来表征薄膜的性能[12].

ρ=1/σ=R□×h,

(1)

式(1)中R□为薄膜的方块电阻，ρ为薄膜的电阻率，h为薄膜厚度.

表1为不同氧流量下制得的ITO薄膜的方阻

表1 不同氧流量下ITO薄膜的方阻和厚度

Table1ThesquareresistanceandthicknessoftheITOfilmsfabricatedvariedwithdifferentoxygenflow

样品氧流量/sccm方阻/Ω厚度/nm11227706.72646140.43321.2229.142.514.5229.2528.7250.0

和厚度，将薄膜的方阻和厚度代入式(1)，可获得薄膜的电阻率.图2为氧流量对ITO薄膜电阻率的影响.

图2 氧流量对ITO薄膜电阻率的影响 Fig.2 The influence of oxygen flow on the resistance of ITO films

由图2可知，在一定氧流量范围内(2～12 sccm)，随着氧流量的降低，ITO薄膜的电阻率降低.这是由ITO本身的性质以及生长条件决定的：ITO只所以具备半导体的导电性能是由于在In2O3中掺入的Sn，Sn元素可以替代In2O3中的In以SnO2存在，形成的SnO2将贡献一个电子到导带上；同时，在一定的缺氧状态下产生氧空位，形成载流子浓度可达1020～1021cm-3量级、迁移率10～30 cm2/vs[13].在氧流量较小时，氧空位浓度大，相应的载流子浓度也大，所以电阻率比较低.随着氧流量的增加电阻率升高，是因为氧空位减少，且晶化率不够好，载流子迁移率的增加不足以弥补氧空位浓度降低而引起的电阻率提高.当氧流量为2 sccm时，ITO薄膜的电阻率为2.2×10-4Ω·cm.这是ITO薄膜作为p-GaN的欧姆接触以及电流扩展层的非常理想的电阻率.

2.3 优化的ITO薄膜透过率表征

作为LED出光面的p-GaN，其电流扩展层只具备低的电阻率还远远不够，还需要有良好的透过率及折射率.由图3可知，当氧流量为2 sccm时，ITO薄膜在450～460 nm处的透过率超过98%，这说明氧流量为2 sccm时足以使In和Sn原子充分氧化并生成透光的In2O3和SnO2，而不是因缺氧生成挡光的SnO材料.因此，当氧流量为2 sccm时制备的ITO薄膜透过率也满足p-GaN表面电流扩展层对透过率的要求.

图3 氧流量为2 sccm时生长的ITO薄膜的透过率曲线Fig.3 The transmittance of ITO films fabricated with the oxygen flow of 2 sccm

2.4 优化的ITO薄膜折射率表征

图4为氧流量2 sccm时生长的ITO薄膜的折射率随波长变化的曲线.由图4可知，在波长450～460 nm处，ITO薄膜材料的折射率为1.7左右.在GaN基蓝光LED中，量子阱发出的光会经过p-GaN-ITO-SiO2-硅胶-空气的路径出射.其中p-GaN的折射率为2.5，PECVD生长的SiO2折射率为1.6左右，这符合折射率渐变的规律；同时，氧流量为2 sccm时生长的ITO薄膜具有粗糙的表面，这些都有利于提高LED的出光效率.

图4 氧流量为2 sccm时生长的ITO薄膜的折射率曲线 Fig.4 The refractive index of ITO films fabricated with the oxygen flow of 2 sccm

3 结 论

在一定的氧流量范围内(2～12 sccm)，随着氧流量的减小，ITO薄膜的颗粒度变大，电阻率变小.在优化的电子束蒸发条件下：氧流量2 sccm、温度300 ℃、真空度4.0×10-4Pa、转速10 r/min、生长速率0.1 nm/s，可制备出电阻率为2.2×10-4Ω·cm、在450～460 nm处的透过率超过98%、折射率为1.7左右的ITO薄膜，将其作为p-GaN的电流扩展层，有利于LED光提取效率的提高.

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The effect of oxygen flow on the properties of ITO thin films evaporated by E-beam

LIU Xiaoyan，REN Yuan，LIU Jiucheng，LIU Ningyang，ZHANG Kang，HUANG Zhaohui，CHEN Zhitao

GuangdongInstituteofSemiconductorIndustrialTechnology，Guangzhou510650，China

Effect of oxygen flow on the morphologies and resistivity of ITO thin films evaporated by E-beam are investigated in this study. The effect of related mechanism is also discussed. With the same temperature, vacuum, rotate speed, growth rate, optimal ITO thin films are evaporated using the oxygen flow of 2sccm. The resistance of the optimal ITO thin films is 2.2×10-4Ω·cm. The transmittance of the optimal ITO thin films is 98% under the wavelength range of 450-460nm. The refractive index of the optimal ITO thin films is 1.7.

oxygen flow；E-beam evaporation；ITO；resistivity；optical transparency

1673-9981(2016)03-0167-04

2016-07-22

广东省创新团队(2013C067)；广东省科技计划项目(2016B070701023)；广东省重大科技专项(2014B010119003，2015B010112002)；广东省应用型科技研发专项(2015B010129010，2015B010134001，2015B010132004)；广东省科研基础条件建设专题(2016GDASPT-0313，2016GDASPT-0219)

刘晓燕(1986-)，女，山东潍坊人，工程师，博士.

TN312.8

A