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[2]

　　图4 为B—F 样品Rsh与Ni 覆盖层厚度的变化曲线。从图中可以看出，同一退火温度下，Rsh随Ni覆盖层厚度的增加，均呈先减小后增大又减小的趋势。Ni 覆盖层很薄( 0. 5 nm) 的样品Rsh较大的原因可能是: Ni 层在退火初期以岛状模式存在，致使LED 膜部分表面在退火中后期直接暴露在退火气氛中，使Ni 覆盖退火效果不完全。 随Ni 覆盖层厚度的增加，表面覆盖率增加，Ni 对p-GaN 界面附近H 的解吸作用增强，从而提高了Mg 受主的激活程度，Rsh下降。 随Ni 层厚度的进一步增加，Rsh呈先增加后减小的趋势，这可能与不同厚度的Ni 在退火时与p-GaN 表面作用形成不同浓度的N 空位和Ga 空位有关。 一定厚度的Ni 会促进N 空位的形成，同时由Ga-Ni 相图推测，Ni 对Ga 具有较大的固溶度，较厚的Ni 会促进形成较多的Ga 空位。N空位为浅施主，Ga 空位为浅受主，较薄的p-GaN 表面形成的N 空位，一定程度补偿了较薄的膜材料内部的空穴，使Rsh升高; 同理，表面形成的Ga 空位也会一定程度提升较薄的膜材料内空穴的浓度，使Rsh下降。

　　图5 为A—D 样品ρc与牺牲Ni 退火温度的变化曲线。由ρc = Rsh·L2t可知，ρ c与Rsh及代表界面态对接触电阻影响的传输长度Lt有关。图5 中C1与C2的ρc相差近3 个数量级，而图3 中C2的Rsh仅为C1的1 /2 左右。本文作如下解释: Ni 对激活Mg 受主的促进作用，主要是由于Ni 能够促进界面附近H的解吸作用，即Ni 退火后，p-GaN 表面附近的空穴浓度大于内部空穴浓度。虽然样品C2与C1的退火温度只差50℃，但C1的退火温度未达到Ni 覆盖激活Mg 受主的温度( 图3) ，以致C1样品p-GaN 表面附近的空穴浓度远小于C2样品，即Lt( C1) Lt( C2) ，而两者Rsh在同一数量级，故ρc( C1) ρc( C2) 。对比图5 中ρc与图3 中Rsh与牺牲Ni 退火温度的变化曲线可知，在550 ℃—750 ℃ 之间，图5中A 样品的ρc随退火温度的升高，一直增加，而图3 中A 样品的Rsh随温度升高一直降低，这说明A 样品ρc的增加应主要取决于Lt的增加，原因归结为高温退火使GaN 表面N 空位增多。 同时，当退火温度高于450 ℃ 时，B—D 样品的ρc随温度升高而增加的趋势高于A 样品，这说明高温退火时，Ni 的存在使p 型欧姆接触性能随温度的升高而加剧退化，即Ni 会促进GaN 表面生成更多的N 空位，引起Rsh与Lt的显著增加。因此，采用牺牲Ni 退火提高GaN LED 的p 型欧姆接触性能，除了要有效激活Mg受主外，还应有效抑制界面N 空位的形成。较低温度下牺牲Ni 退火既能有效避免界面N 空位的形成，又能有效提高Mg 受主的激活程度。

　　图6 为B—F 样品ρc与Ni 覆盖层厚度的变化曲线。同一退火温度下，ρc随Ni 覆盖层厚度的增加，同样呈先减小后增大又减小的趋势，同图4 中Rsh随Ni 覆盖层厚度的变化关系一致。 但图6 中750 ℃ 退火后ρc值要普遍高于650 ℃退火后的ρc值，由图4知两个温度下的Rsh数值却相差不大，且750 ℃后的ρc值随厚度的变化不明显，这说明750 ℃ 退火后ρc的升高主要因为Lt的升高。 进一步研究发现，高温时Ni 的存在使界面处GaN 表面受到严重破坏，由此形成的表面缺陷很多，造成界面态的“钉扎”效应。关于牺牲Ni 退火工艺对GaN 表面形貌的影响，我们将会作进一步报道。

　　4. 结论

　　本文通过测试Si 衬底GaN LED 薄膜p 型层的方块电阻和比接触电阻率，研究了牺牲Ni 退火工艺对Pt 与p-GaN 的欧姆接触性能的影响。结果表明，在有氧气氛围中，Ni 覆盖层能够显著降低p 型层中Mg 受主的激活温度，使p 型GaN 与Pt 欧姆接触性能随Ni 退火温度的升高呈先变好后变差的趋势，随Ni 覆盖层厚度的增加呈先变好后变差又变好的趋势。本实验中，当Ni 覆盖层厚度为1. 5 nm，退火温度为450 ℃，Pt 与p-GaN 比接触电阻率在不需要二次退火的情况下达到6. 1 × 10 - 5 Ω·cm2 。

编辑：Cedar