利用氬氣改善p型GaN LED的性能

如果你想要得到顯著的摻雜剖面結(jié)構(gòu)及低阻值的p型GaN，那么就要考慮把你的載體氣體由氫氣置換成氬氣。

作者：Vladimir Dmitriev, Alexander Usikov
單位：Technologies and Devices International公司

　雖然GaN LEDs的發(fā)展相當(dāng)成功，但是使用有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)制程卻讓它們的p型摻雜區(qū)域無法達(dá)到理想的特性。對于一個像是能夠達(dá)到固態(tài)照明目標(biāo)的真實亮度發(fā)光體所需要做的乃是在外延層(epilayer)堆積結(jié)構(gòu)中具有低電阻及不連續(xù)摻雜剖面結(jié)構(gòu)的高摻雜濃度的p型區(qū)域，但現(xiàn)今制程會產(chǎn)生阻礙電流分散(current spreading)的高阻抗材料，當(dāng)發(fā)生較差的奧姆接觸(ohmic contacts)時會增加操作電壓并阻礙高驅(qū)動電流。

　這件事是起源于使用標(biāo)準(zhǔn)摻雜物-鎂進行有機金屬氣相沉積(MOCVD)來長成固有特性的p型GaN和AlGaN，而這些氮化物(nitrides)具有高電阻，部份原因是鍍膜成長完畢后置熱活化所造成的。然而，即使如此處理過之后的p型GaN仍有0.1 Ω-cm或更高的阻值存在，由于需要更高的操作電壓而限制了最高亮度的LEDs的發(fā)光效率。

　這些高電阻的成因可能源自表面的氫氣造成鈍化結(jié)果所致(氫氣為標(biāo)準(zhǔn)MOCVD載體氣體)。成膜后置熱活化會破壞鎂–氫錯合物并促進導(dǎo)電度，縱使摻雜太多的鎂仍會造成材料質(zhì)量的劣化。

　氮化物(nitrides)以有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法摻雜鎂也會受到“記憶效應(yīng)(memory effect)”的影響，這些摻雜物會停留在關(guān)閉線型真空管后的鍍膜腔體內(nèi)，然后在后續(xù)不該有鎂成份的成膜過程中被吸收。

　針對上述的問題，我們已經(jīng)發(fā)展出不使用純氫氣的薄膜沉積制程。本研究工作(由美國能源部的固態(tài)照明計劃贊助)所使用的氫化物氣相外延(HVPE)制程技術(shù)是以氨氣(NH3)及氯化氫(HCl)當(dāng)做反應(yīng)氣體并以氬氣做為載體氣體，能達(dá)到更高的沉積速率以及更低的錯位密度(dislocation densities)。

　以氬氣做為載體氣體的有機金屬氣相沉積(MOCVD)長晶并不會更有效果, 因為第III族蒸鍍源需要更高比例濃度的NH3，這會導(dǎo)致更多的氫氣跑到沉積層中。

　我們用專利開發(fā)的多基板型(multiwafer)HVPE反應(yīng)器來沉積 p-型GaN層在(0001) c-晶面的藍(lán)寶石(sapphire)，而沉積條件上設(shè)定在典型的速率1 μm/min及1050 oC，并使用高純度鎵材料作為III族的蒸鍍源，并以鎂做為摻雜物。

　根據(jù)二次離子質(zhì)譜儀(secondary ion mass spectrometry；SIMS)量測結(jié)果，我們制作出3–15 μm厚度且具有2 × 1016 cm–3 – 2 × 1020 cm–3鎂原子濃度的GaN層，所有外延層(epilayers)具有平滑的表面，而X-ray繞射量測結(jié)果顯示高摻雜濃度并不會影響晶體的的質(zhì)量。在樣品中不需要靠活化來產(chǎn)生p型的導(dǎo)電度。以汞探針量測的電容-電壓 (C-V)實驗結(jié)果可得知在鎂原子濃度為1 × 1017 cm–3下的p-型導(dǎo)電度，C-V測試結(jié)果也顯示出受體凈濃度 (受體數(shù)目扣除施體數(shù)目) 高達(dá)3 × 1019 cm–3，這樣的摻雜濃度正好適于形成不錯的奧姆接觸(ohmic contact)。

　載體濃度范圍在4 × 1017 – 1.5 × 1018 cm–3的沉積層的電性量測實驗結(jié)果顯示電阻率為0.02–1.00 Ω-cm，而電洞移動率至少能達(dá)到像MOCVD-沉積出的薄膜電性結(jié)果一樣好，而這樣的結(jié)果表示HVPE沉積而成的LEDs應(yīng)該具有相當(dāng)不錯的電流分散(current-spreading)特性。二次質(zhì)譜儀(SIMS)量測結(jié)果也顯示出我們的材料不易受到記憶效應(yīng)(memory effect)影響(圖一)。

　比氫氣更高濃度的鎂下(圖二)造成高導(dǎo)電度與高受體凈濃度的成因，根據(jù)我們測量兩組(1–3) × 1019 cm–3鎂原子濃度摻雜的樣品結(jié)果，對于高摻雜來說將氫氣濃度降到最低乃是關(guān)鍵。4 × 1017 cm–3氫氣濃度生成的樣品具有1.2 × 1019 cm–3的受體凈濃度，而1 × 1018 cm–3氫氣濃度生成的薄膜的凈濃度只有1.3 × 1018 cm–3。氫氣濃度變化造成某一個樣品中的鎂幾乎整個被活化而其它的部份則只有10%被活化。

　我們已經(jīng)驗證了我們下發(fā)光光式HVPE薄膜沉積方法的多樣性。有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)無法制作的“下發(fā)光(upside-down)” LEDs亦可以做在藍(lán)寶石為基板的p型GaN模板上，這些模板結(jié)構(gòu)中的InGaN層含有15–30 mole %的InN成份，其發(fā)光波長介于450–515 nm。

圖一：刻意將鎂原子摻雜在多層結(jié)構(gòu)中的第二、第三及第五層的二次離子質(zhì)譜儀量測結(jié)果(SIMS)可看出不連續(xù)的摻雜結(jié)構(gòu)，而且少許的鎂原子被不經(jīng)意的摻雜到了第四層，樣品表面的結(jié)果如圖所示。

圖二：根據(jù)二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)結(jié)果，鎂的摻雜濃度高過氫的背景濃度，其中虛線代表等量的鎂及氫原子濃度。

作者
Vladimir Dmitriev是TDI的董事長及CEO，他已于2008年1月6日逝世。
Alexander Usikov為TDI的研發(fā)主管及資深科學(xué)家。他目前的研究著重在III-N半導(dǎo)體物理及新穎技術(shù)。作者們十分感謝陸軍研究院(Army Research Laboratory)及巴洛阿圖研究中心(Palo Alto Research Center)在LED制程上的協(xié)助，同時感謝美國能源部、商務(wù)部及國防部的資金贊助，以及TDI工程師和科學(xué)家團隊的研究與付出，和Oleg Kovalenkov、Vitaly Soukhoveev和Vladimir Ivantsov在本研究上的貢獻(xiàn)。