AlN／藍寶石襯底上AlGaN－UV－LEDs光學性能改善研究

王美玉，章國安，張振娟，施 敏，朱曉軍，朱友華

（南通大學 電子信息學院，江蘇 南通 226019）

由于高效率的AlGaN基深紫外發(fā)光二極管（記為AlGaN－UV－LEDs，以下簡記為 UV－LEDs）在生物制劑的檢測、固態(tài)白光照明，以及空氣凈化應用等方面受到極大的關注。近年來，許多研究人員通過使用鋁鎵氮合金，制備出發(fā)光波長位于300nm以下的深紫外發(fā)光二極管［1－7］。但在開發(fā)高性能 UV－LEDs的過程中，也常備受一些困擾。比如：生長出高品位的Al－GaN或AlN薄膜，是提高其發(fā)光效率的先決條件；高質量AlN襯底也是獲得高品位AlGaN外延薄膜的最常用的襯底之一［8］。此外，由于受電子溢出［9］或 Mg擴散［10］而導致的非帶邊峰發(fā)光在UV－LEDs的相關論文中也經常有相應的報道。研究人員為了消除此寄生發(fā)光峰，采用高Al組分的AlGaN中間層作為電子阻擋層［11］。在本文中，將對具有AlN襯底上的UVLEDs的器件結構與光學特性改善之間的因果關系等進行科學的探討。

1 實驗

UV－LEDs結構的樣品是在一個水平腔MOCVD系統(tǒng)（日本酸素SR－2000）中生長。SiH4和Cp2Mg分別用于n型和p型的摻雜。其中50.8mm（2英寸）直徑的AlN襯底被用來作為底層基板，而該襯底是通過MOCVD系統(tǒng)，在c－面藍寶石上生長的1μm厚的AlN薄膜［8］。有報告曾提及：無裂紋且相對高質量的AlGaN薄膜可直接生長在AlN襯底上［12］。

研發(fā)出屬于C區(qū)（265nm附近）的深紫外發(fā)光二極管，主要是基于以下的生長方法：在AlN襯底上生長0.5μm 厚的Al0.6Ga0.4N層；所生長的是有源區(qū)，該區(qū)域主要是在n型Al0.6Ga0.4N蓋層上，由五周期的Al00.49Ga0.51N 量 子阱層（3nm）和一個 Al0.55Ga0.45N壘層（5nm）所形成的，并隨后由一個p型 Al0.6Ga0.4N蓋層（25nm）的沉積。最后形成的是p－型 Al0.3Ga0.7N層（25nm）和p型GaN接觸層。在本研究中，對如下兩種結構的LEDs進行相應的比較：含有1μm厚的n－AlGaN和25nm的厚度的p－GaN接觸層（記為樣品A）：n－AlGaN的厚度為1.7μm 和p－GaN厚度為200 nm（記為樣品B），而其他外延層的厚度均一樣。此外，還有另外一個結構上的不同點之處是：B型樣品的活性層區(qū)域和p型蓋層之間有1nm厚的i－AlN電子阻擋層。為了確認i－AlN是否成功生長，通過斷面透射掃描電鏡對器件結構特征做了簡要的表征。

在對500μm×500μm臺面型結構的LED器件工藝制作過程中，使用的是光刻、刻蝕以及蒸鍍等傳統(tǒng)半導體工藝加工［13］。比如：n－AlGaN層的一側通過反應性離子蝕刻后做n歐姆接觸電極；Mg受主的活性化退火是在800℃氮氣氛圍中進行30min爐內慢性退火；使用常規(guī)電子束（EB）蒸發(fā)沉積出n－歐姆接觸金屬層 Ti／Al／Ni／Au（15／70／12／60nm），并隨后被快速退火，其條件是在900℃的氮氣氛圍中30s；然后，在GaN的表面上，通過同樣的EB法沉積出Ni／Au（6／12nm）p型歐姆接觸金屬層，并在空氣氛圍中于600℃退火3min；最后，在p型歐姆接觸金屬層之上再沉積出Ni／Au的（5／60nm）的p型接觸電極。在對器件性能表征方面，從LEDs芯片的背面通過底層的藍寶石所發(fā)出的電致發(fā)光譜（EL）用SD2000分光計（海洋光學公司）探測；輸出功率由放置在樣品的緊鄰背面?zhèn)鹊墓夤β时恚℉amamatsu H8025－254）測定。

2 結果和討論

圖1顯示的是樣品B的斷面透射掃描電鏡圖。從中可以非常清楚地觀測到i－AlN僅有1nm厚的插入層成功地得以生長。此外，下面的多量子阱（MQWs）的界面也相當平整。這些結構特征可以驗證本研究中的UV－LEDs器件具有高品位的外延晶體質量。因此可以期待其將表現(xiàn)出良好的器件發(fā)光性能。

圖2顯示的是在室溫與8A／cm2直流電流（DC）注入下2個樣品的電致發(fā)光譜（EL），插圖為LEDs的示意性結構圖。在此圖中可以清楚地看出：樣品A除了可觀察到264nm附近的近帶邊發(fā)光峰（NBE）之外，另有一個非常明顯且較強的寄生發(fā)光峰（SBE），峰值位約在320nm處；B樣品有更強的NBE，其半高寬值約9nm；但320nm處的SBE峰強度卻急劇下降。一般推測對應的SBE歸因于載流子從多量子井區(qū)域溢出到p－AlGaN層或Mg從p－AlGaN層擴散至多量子井而導致的。在此可以得出，本文中所探討的器件結構中，通過插入非常薄的1nm的i－AlN層可以有效抑制寄生發(fā)光峰。

圖1 樣品B的斷面透射掃描電鏡圖

圖2 室溫與8A／cm2的注入電流下的樣品A和B的電致發(fā)光光譜

如圖3所示，樣品B的NBE峰與SBE峰的峰高比增至300多，而樣品A的此比率最大值只有10左右。與先前由Adivarahan等報道類似結構的器件性能相比，B樣品中得到的值顯得相對更高（在50A／cm2直流注入下的比率是100）［14］。因此，進一步可以得出以下結論：使用本文中的1nm的i－AlN層，在多量子阱發(fā)光區(qū)域實現(xiàn)了更好的載流子約束，進而改善了載流子的復合率。同時也可以預測出光功率也將得以較大的提高。

圖3 樣品A和B在不同的注入電流密度下的NBE與SBE峰高值比

圖4 樣品A和B在不同電流密度注入下的輸出功率

圖4所示為在室溫及不同注入電流密度下歸一化后2個樣品的輸出功率。相當明顯的是：樣本B的輸出功率是遠遠高于樣品A。在輸入電流密度為16 A／cm2下，與樣品A對比，樣品B的最大輸出功率約為樣品A的20倍，進一步證明：使用薄的i－AlN電子阻擋層可以改善UV－LEDS的發(fā)光特性。其實，若考慮其他改善因素，還發(fā)現(xiàn)較厚的 n－Al00.6Ga0.4N 蓋層也能有效地減少電流擁擠效應［15］；較厚的p－GaN層也可以改善表面平坦性和起到更好的p型歐姆接觸效果。因此，除了薄的i－AlN插入層的效果之外，這些結構上的合理調整也對本研究中的UV－LEDs的發(fā)光特性改善起到一定的促進作用。

3 結論

本文簡要探討了264nm波段的 AlGaN－UVLEDs發(fā)光性能的改善。通過實驗，可以得出以下結論：通過在活性區(qū)域和p型蓋層之間插入1nm的i－AlN的電子阻擋層，可以非常有效地抑制320nm處的寄生發(fā)光峰；LED在活性區(qū)域也表現(xiàn)出了更好的光譜純度和良好的載流子限制效應；對樣品結構中的某些外延層的厚度進行調整，對應UV－LEDs的輸出功率提高了20多倍。

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