牺牲Ni 退火对硅衬底GaN 基发光二极管p 型接触影响的研究[1]

　　1. 引言

　　发光二极管( light emitting diode，LED) 被公认为下一代照明光源，但其走向普通照明仍需进一步降低成本、提高发光效率。硅衬底GaN 基LED的研制成功，改写了以蓝宝石、碳化硅为衬底的GaN 基LED 的历史，大大降低了LED 的制造成本。 要提高LED 的发光效率，除了提高内量子效率和抽取效率外，还要在电流不变的情况下降低LED 的工作电压，即要提高金属电极与LED 薄膜之间的欧姆接触性能。由于p-GaN 中存在Mg 受主难激活的问题，低空穴浓度成为制约p 型欧姆接触的瓶颈。文献中多数采用在N2氛围中700 ℃ 左右退火或者在有氧气存在的氛围中500 ℃ 左右退火两种方法激活Mg 受主。2001 年，Waki 等人第一次提出了“外延层表面牺牲Ni 激活p-GaN 中Mg 受主”的方法，获得了空穴浓度高达7 × 1017 cm - 3 的结果。其“牺牲Ni 的方法”过程如下: 1 ) 在蓝宝石衬底p-GaN 表面蒸发Ni 覆盖层; 2 ) 将其在N2气氛中、200 ℃—800 ℃的温度范围内退火10 min; 3) 去掉薄膜表面Ni 覆盖层; 4) 制备Ni / p-GaN 欧姆接触层; 5 ) 在N2气氛中、550 ℃ 的温度下进行第二次退火。这种采用牺牲金属退火激活Mg 受主的方法，具有激活温度较低且易与其他工艺易集成的特点。之后，众多研究小组采用Ni，Co，Pt，Ti，Ti /Au等储H 材料作为牺牲金属对蓝宝石衬底上p-GaN进行选择性激活，提高了器件的发光效率和可靠性。本文系统研究了Ni 覆盖层厚度及退火温度对硅衬底GaN 基LED 薄膜p 型欧姆接触的影响，在不需二次退火的情况下获得了高性能的p 型欧姆接触层。

　　2. 实验

　　本文采用的样品为本实验室自行研制的硅衬底GaN 基LED 外延片，外延结构如图1 ( a ) 所示。 为避免外延结构不同对实验结果的影响，本文选用同一炉次的六个外延片，分别标记A，B，C，D，E，F. 将样品清洗、吹干，随继采用电子束蒸发的方式，在B，C，D，E，F 五样品表面依次蒸发0. 5nm，1. 5 nm，5. 0 nm，15 nm，45 nm 厚的Ni，A 样品表面不蒸发。 随后将每个样品各自平均分成五小份并进行标号: A1，A2，…. 再将所有样品根据标号分为五组，分别在400 ℃ ，450 ℃ ，550 ℃ ，650 ℃ ，750 ℃ 退火，退火氛围为N2 ∶ O2 = 4∶ 1，退火时间为20 min，退火及标号分组的具体情况详见表1 。退火后，将所有样品在王水中煮20 min，去除样品表面的镍及镍氧化物。 随后采用电子束蒸发的方式，在所有样品表面蒸发80 nm 的Pt，圆形传输线模型( CTLM) 光刻后，测试各样品的I-V 曲线并计算方块电阻( Rsh) 及比接触电阻率( ρc) 。CTLM 光刻图形如图1 ( b) 所示，圆环间隔由大到小依次为35 μm，30 μm，25 μm，20 μm，15 μm，10 μm，5 μm，2. 5 μm. 图2 为计算C2样品Rsh及ρc所需要测试的I-V 曲线，圆环间隔为10—35μm，考虑光刻的误差，本文未测试间隔为5 μm和2. 5 μm 的圆环。

　　3. 结果与讨论

　　表1 列出了各样品的Ni 覆盖层厚度( D) 、退火温度( T) 、p 型材料的方块电阻( Rsh) 以及Pt / p-GaN比接触电阻率( ρc) 。由表中可以看出，C2样品的ρc( = 6. 1 × 10 - 5 Ω·cm2 ) 最小，同时Rsh( = 9. 0 × 104Ω) 最小，ρc接近同类接触中文献报道的最好结果。经过退火后，p 型层Rsh的数量级在105 左右，与文献所报导的结果一致。 本实验中没有测出样品A1，E1，F1的Rsh及ρc数据，原因归结为在较低的退火温度时这些样品的Mg 受主激活程度不够，Rsh过大，电流难以扩展。本实验所有样品的p-GaN 厚度仅为100 nm 左右，I -V 测试时较大电流沿p 型材料的横向较难以扩展，这也是引起退火后p型材料方块电阻数量级仍较大的主要原因。

　　图3 为A，C，D 样品Rsh与牺牲Ni 退火温度的变化曲线。 Rsh越小代表p 型层空穴浓度越高，Mg 受主的激活程度越大。未采用牺牲Ni 退火的A 样品Rsh随退火温度的升高一直减小，说明Mg 受主的激活程度随温度的升高一直增大; 当温度高于550 ℃后，Rsh继续减小，但趋势明显变缓，说明直接在有氧气氛中退火时Mg 受主的激活温度在550 ℃ 左右。而采用牺牲Ni 退火的C，D 样品Rsh随退火温度的升高呈先降低后升高的趋势，拐点出现在450 ℃ 左右，说明在牺牲Ni 退火时Mg 受主的激活温度在450 ℃左右; C2，D2样品Rsh值均小于A4样品的Rsh值，说明牺牲Ni 退火能够显著降低Mg 受主的激活温度，提高Mg 受主的激活程度。C，D 样品的Rsh随退火温度的升高呈先降低后升高的趋势，本文作如下解释: 较低温度时，Mg 受主的激活程度不够，空穴浓度较低，Rsh很大; 随退火温度的升高，Ni 能够显著提高p-GaN 薄膜中H 的解吸作用，使Mg 受主激活程度明显提高，Rsh显著下降; 当退火温度继续升高，Ni 会促进N 空位的形成，文献提到，当退火温度在460—700 ℃ 之间，Ni 促进形成N 空位的浓度约3 × 1019 cm - 3 ，这很大程度上补偿了p 型材料内的空穴浓度，使Rsh又呈升高趋势。