利用ICP進(jìn)行In摻雜對(duì)GaN基LED材料性能的影響

曾勇平,張保平,應(yīng)磊瑩（廈門(mén)大學(xué)電子工程系,福建廈門(mén)361005）

利用ICP進(jìn)行In摻雜對(duì)GaN基LED材料性能的影響

曾勇平,張保平,應(yīng)磊瑩
（廈門(mén)大學(xué)電子工程系,福建廈門(mén)361005）

本文主要介紹一種新型的改善GaN材料p型歐姆接觸特性的方法，即采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在InGaN層上沉積一層ITO薄膜，然后通過(guò)感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)（ICP）對(duì)ITO進(jìn)行轟擊。通過(guò)XPS測(cè)試分析可知，ICP轟擊ITO過(guò)程中，ITO中的In原子擴(kuò)散至p-GaN層。通過(guò)在p-GaN上方制作歐姆接觸并進(jìn)行I-V測(cè)試，結(jié)果表明In摻雜后樣品p型歐姆接觸特性得到改善。

GaN；p型歐姆接觸；ICP；XPS

1　引言

p型摻雜一直以來(lái)都是制約GaN基器件進(jìn)一步發(fā)展的主要因素之一。目前，熱退火仍是提高p型GaN空穴濃度的方法。熱退火主要包括低溫O2退火和高溫N2退火。利用高溫激活Mg受主，從而提高空穴濃度[1]。但是，高溫退火存在一些缺點(diǎn)：KusakbeK等人報(bào)道在1000oC退火，晶格應(yīng)力嚴(yán)重影響了InGaN多量子阱的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[2]；Hayes等人報(bào)道在較高的溫度退火，在GaN層產(chǎn)生壓應(yīng)力，也將影響p-GaN的電學(xué)特性[3]。因此，Kumakura等人提出了不同于退火的方法來(lái)提高p-GaN的空穴濃度，即在p-GaN中摻入適量In，從而降低Mg的激活能，達(dá)到提高空穴濃度的目的[4]。此外，Zhang等人在p-AlxGa1-xN材料生長(zhǎng)過(guò)程中引入In作為表面活性劑減少了材料中的點(diǎn)缺陷，并與Mg形成A-D-A結(jié)構(gòu)的復(fù)合物（共摻雜，等效于一個(gè)受主），降低了受主激活能，電導(dǎo)率顯著提高[5]。Liu等人提出在p-GaN中摻入P，提高了Mg的活性，使得空穴濃度得到了提高[6]。從上述報(bào)道中，我們可以得出，三族元素的摻入有利于提高p-GaN空穴濃度，改善樣品歐姆接觸特性。本文通過(guò)利用ICP技術(shù)對(duì)p-GaN層進(jìn)行In摻雜，對(duì)p-GaN電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試分析。

2　實(shí)驗(yàn)

采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在InGaN層上沉積一層ITO(130nm)膜作為In的來(lái)源，沉積完后在感應(yīng)耦合等離子體（inductivelycoupledplasma，ICP）刻蝕設(shè)備中采用Cl2/He氣體對(duì)表層ITO進(jìn)行轟擊，如圖3-1所示。其中圖1(a)為ICP轟擊ITO過(guò)程示意圖，圖1(b)為ITO轟擊完ITO樣品結(jié)構(gòu)示意圖。利用XPS測(cè)試p-GaN表面元素分布，然后在p-GaN上方磁控濺射N(xiāo)i/Au（10/50nm）金屬電極制作歐姆接觸，利用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)樣品p-GaN表面I-V特性進(jìn)行測(cè)量。

3　結(jié)果與分析

3.1p-GaN表面元素濃度分布情況

圖2為In摻雜前后InGaN/p-GaN的元素濃度深度分布圖，其中內(nèi)置圖為In原子的濃度深度分布圖。從圖中我們可以看出，經(jīng)ICP轟擊ITO后，In原子與Ga原子濃度發(fā)生了變化。由于InGaN層厚度只有2nm，而如圖中所示，In原子已經(jīng)擴(kuò)散至3nm處，也就是說(shuō)，ICP轟擊ITO過(guò)后，In原子已經(jīng)擴(kuò)散至p-GaN層，在InGaN表面，In原子濃度提高了約5倍，說(shuō)明ICP摻雜效果較為明顯。另外，In摻雜前后Ga原子濃度也發(fā)生了變化。從圖中可以看出，In摻雜后，InGaN和p-GaNGa原子濃度有所下降。我們認(rèn)為這是因?yàn)镮n原子和Ga原子之間的相互擴(kuò)散導(dǎo)致。In原子從ITO層往InGaN/p-GaN進(jìn)行擴(kuò)散的同時(shí)，Ga原子也同樣從InGaN/p-GaN層往ITO方向擴(kuò)散，In原子替代了原來(lái)Ga原子在InGaN和p-GaN中的位置[7]。

3.2In摻雜對(duì)p型歐姆接觸的影響

為了研究In摻雜對(duì)p型歐姆接觸的影響，我們?cè)跇悠繁砻嬷谱鱊i/Au電極以形成歐姆接觸。實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Keithley公司的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)樣品p-GaN表面I-V特性進(jìn)行測(cè)量。未經(jīng)摻雜和經(jīng)過(guò)In摻雜的樣品p-GaNI-V特性如圖3所示。圖中樣品as-grown為未經(jīng)摻雜樣品，樣品ICPtreatmentsample為In摻雜樣品。我們可以看出，經(jīng)過(guò)In摻雜的樣品p-GaN歐姆接觸特性較未經(jīng)摻雜樣品歐姆接觸特性有所改善。經(jīng)計(jì)算，In摻雜樣品的歐姆接觸電阻為4.35×103Ω，未摻雜樣品歐姆接觸電阻為7.086×103Ω，表明了In摻雜可以降低樣品p-GaN歐姆接觸電阻。通過(guò)對(duì)樣品InGaN/p-GaN表面的原子分布進(jìn)行XPS測(cè)試得到，經(jīng)過(guò)ICP進(jìn)行In摻雜后，樣品InGaN/p-GaN表面In原子濃度得到了大幅提高。XPS測(cè)試結(jié)果表明，在ICP轟擊ITO過(guò)程中，ITO層中的In原子擴(kuò)散至InGaN/p-GaN層，提高了p-GaN層的電學(xué)特性。根據(jù)Kumakura等人研究報(bào)告提出：在p-GaN中摻入適量In，可以降低Mg的激活能，達(dá)到提高空穴濃度的目的[8]。此外，Zhang等人在p-AlxGa1-xN材料生長(zhǎng)過(guò)程中引入In作為表面活性劑減少了材料中的點(diǎn)缺陷，并與Mg形成A-D-A結(jié)構(gòu)的復(fù)合物（共摻雜，等效于一個(gè)受主），降低了受主激活能，電導(dǎo)率顯著提高[9]。因此，摻In樣品p-GaN電學(xué)性能得到改善，是因?yàn)樵贗CP轟擊ITO過(guò)程中，ITO中的In擴(kuò)散至p-GaN中，降低了Mg激活能，提高了空穴濃度，改善了p型歐姆接觸。

4　結(jié)論

利用ICP轟擊p-GaN上方ITO薄膜。XPS測(cè)試結(jié)果表明，ICP轟擊ITO過(guò)程中，部分In原子擴(kuò)散至p-GaN。通過(guò)在p-GaN上方磁控濺射淀積Ni/Au金屬電極制作歐姆接觸并進(jìn)行I-V測(cè)試，結(jié)果表明，In摻雜樣品p-GaN歐姆接觸特性得到改善，歐姆接觸電阻由7.086×103Ω降低至4.35×103Ω，證明了通過(guò)ICP轟擊ITO對(duì)p-GaN進(jìn)行In摻雜方法是可行的。

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曾勇平（1989—），男，福建龍海人，廈門(mén)大學(xué)電子工程系，研究生，研究方向：寬禁帶半導(dǎo)體材料與光電子器件，微納米結(jié)構(gòu)制造及應(yīng)用。