AlGaN基深紫外LED的外延生長(zhǎng)及光電性能研究

李 路,徐 俞,曹 冰,徐 科

(1.蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，蘇州 215006；2.江蘇省先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教育部現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州 215006；3.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，蘇州 215123)

0 引 言

Ⅲ-Ⅴ族氮化物是當(dāng)前十分熱門的光電半導(dǎo)體材料之一，鋁鎵氮(AlGaN)作為帶隙可調(diào)的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，是制備紫外(ultraviolet, UV)光電子器件的理想材料[1-5]。AlGaN基光電器件在照明、醫(yī)療衛(wèi)生、殺菌消毒、非視通信等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景[6-10]。但是總體來看，目前所制備的紫外發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)的外量子效率仍然較低，特別是對(duì)于發(fā)光波段在350 nm以下的紫外LED，它們的外量子效率大多集中在10%以下。造成AlGaN基紫外LED發(fā)光效率偏低的原因主要有高質(zhì)量的AlGaN材料制備較為困難、AlGaN材料的摻雜困難、AlGaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)中強(qiáng)的極化效應(yīng)等。目前，高質(zhì)量AlGaN基材料制備是實(shí)現(xiàn)高性能紫外LED器件的首要條件。由于AlN、GaN同質(zhì)襯底的缺乏，絕大部分AlGaN基紫外LED器件主要是以異質(zhì)外延的方式在藍(lán)寶石、碳化硅等襯底上制備[11-12]。因此紫外LED器件的制造仍然在很大程度上依賴于大規(guī)模、低成本和紫外透明的AlN/藍(lán)寶石襯底。然而異質(zhì)外延時(shí)襯底與外延層之間晶格失配和熱失配的存在，不僅產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，較大殘余應(yīng)力也會(huì)使AlGaN材料出現(xiàn)微裂紋甚至斷裂，這影響了AlGaN的晶體質(zhì)量，也不利于后續(xù)紫外光電子器件的制備。為解決這些問題，研究人員提出了脈沖原子層外延、遷移增強(qiáng)外延生長(zhǎng)法、高溫退火等方法[13-15]，相比之下，高溫金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)法因具有易于控制、均勻性好、易于摻雜及適合大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

在本工作中采用一步MOCVD法在藍(lán)寶石襯底上直接外延AlN薄膜，通過調(diào)節(jié)MOCVD生長(zhǎng)模式，即采用低壓強(qiáng)、高生長(zhǎng)溫度和低Ⅴ/Ⅲ比來增加橫向生長(zhǎng)速率，在生長(zhǎng)過程中界面形成了一些高密度納米級(jí)孔洞，并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)孔洞有降低外延層位錯(cuò)的作用，在此基礎(chǔ)上外延生長(zhǎng)了275 nm波段的深紫外LED(deep-ultraviolet LED, DUV-LED)薄膜，最終獲得低開啟電壓和良好整流性能的深紫外LED器件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 AlN外延層的生長(zhǎng)

在藍(lán)寶石襯底上以NH3、三甲基鋁、三甲基鎵分別作為N源、Al源、GaN源，H2作為載氣。先采用一步高溫MOCVD法在(0001)面的藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)AlN外延層。在壓強(qiáng)50 mbar(1 mbar=0.1 kPa)、Ⅴ/Ⅲ比500、溫度1 200 ℃的條件下生長(zhǎng)2 h。

1.2 AlGaN基紫外LED的生長(zhǎng)

AlGaN基DUV-LED結(jié)構(gòu)包括2 μm n-AlGaN層，五周期AlGaN多量子阱(multiple quantum well, MQW)和p-GaN接觸層。生長(zhǎng)后，p型層在反應(yīng)腔中于800 ℃的氮?dú)鈿夥罩型嘶?0 min，以激活Mg受體。

1.3 紫外LED器件的制備

藍(lán)寶石襯底上的DUV-LED器件結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)完成后，分別在器件的n型和p型兩側(cè)制備電極。需要通過電感耦合等離子刻蝕(inductively coupled plasma, ICP)工藝制備,隨后采用真空蒸鍍的方法在n型AlGaN側(cè)進(jìn)行了Ti(40 nm)/Al(150 nm)/Ni(20 nm)/Au(50 nm)電極的制備，最后在樣品p-GaN的一側(cè)進(jìn)行了Ni(5 nm)/Au(50 nm)電極的制備。

1.4 表征測(cè)試

AlGaN基DUV-LED樣品的微觀形貌通過原子力顯微鏡(AFM，Veeco，Dimension 3100)和透射電子顯微鏡(TEM，F(xiàn)EI，Talos F200X Scios)觀察和分析器件各外延層的結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)類型，并利用EDX分析元素組成。通過陰極熒光(CL，Oxford Monon-CL2)分析樣品表面的發(fā)光特性。通過I-V曲線圖分析DUV-LED的電學(xué)性質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌與結(jié)構(gòu)分析

通過AFM可以非常直觀地看出藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的AlGaN基DUV-LED的表面形貌，如圖1所示，選擇測(cè)試區(qū)域?yàn)?0 μm×10 μm，可以看到GaN層薄膜表面十分清晰的原子臺(tái)階，表面粗糙度在0.18 nm，表面沒有裂紋、凹坑和開裂，反映出薄膜具有十分平整的形貌。

為了進(jìn)一步分析DUV-LED薄膜的具體結(jié)構(gòu)特性，利用聚焦離子束(focused ion beam, FIB)制備截面TEM的樣品。DUV-LED整體的截面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，并利用EDX能譜分析得到各層的結(jié)構(gòu)。圖2(a)中白色框線內(nèi)為在界面處形成的高密度納米級(jí)孔洞，孔洞密度約為8.0×109cm-2?？锥吹男纬稍从?D島之間的高速橫向生長(zhǎng)速率和較大的高/寬比。高的生長(zhǎng)溫度和低Ⅴ/Ⅲ比都增加了Al原子在材料表面的擴(kuò)散，增加了橫向生長(zhǎng)速率。此外較低的壓強(qiáng)也有利于橫向生長(zhǎng)。因此在底部生長(zhǎng)未完成之前，上方已經(jīng)合并完成，導(dǎo)致孔洞的產(chǎn)生[16-18]。

AlGaN量子阱層為AlGaN的最上層表面，如圖2(b)中所示，可以看到清晰的5層量子阱結(jié)構(gòu)。通過EDX可以計(jì)算出量子阱Al組分含量為30%。

2.2 外延層位錯(cuò)分析

2.3 光學(xué)性質(zhì)分析

使用CL進(jìn)一步表征了DUV-LED薄膜的發(fā)光譜線，如圖4所示。在CL譜線中可以看到兩個(gè)明顯的發(fā)光峰，從左往右分別位于275 nm和550 nm。其中550 nm波段的發(fā)光峰為275 nm波段的倍頻峰。證實(shí)成功制備了在275 nm波段發(fā)光的DUV-LED。

2.4 電學(xué)性質(zhì)分析

利用臺(tái)面結(jié)構(gòu)工藝分別在器件的n型和p型兩側(cè)制備電極,LED器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示，圖5(b)為藍(lán)寶石襯底上AlGaN基DUV-LED器件的I-V特性曲線，其開啟電壓約為4.8 V，在電壓為-3.0 V時(shí),該器件的反向漏電電流僅為2.23 μA，可以看到該器件表現(xiàn)出良好的整流特性。

3 結(jié) 論

本文采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上成功制備了275 nm波段發(fā)光的深紫外LED。調(diào)節(jié)MOCVD生長(zhǎng)模式，即采用低壓強(qiáng)、高生長(zhǎng)溫度和低Ⅴ/Ⅲ比來增加橫向生長(zhǎng)速率，有利于高密度納米級(jí)孔洞的形成。利用TEM重點(diǎn)分析了外延層中位錯(cuò)的分布，可以明顯看到AlN納米級(jí)孔洞上方的位錯(cuò)減少，這有利于高質(zhì)量AlGaN的外延生長(zhǎng)。最后成功制備了開啟電壓約為4.8 V，反向漏電電流僅為2.23 μA(-3.0 V電壓時(shí))的深紫外LED器件。