AlGaN基深紫外LED的外延生長及光電性能研究

李 路,徐 俞,曹 冰,徐 科

(1.蘇州大學光電科學與工程學院，蘇州 215006；2.江蘇省先進光學制造技術重點實驗室和教育部現代光學技術重點實驗室，蘇州 215006；3.中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，蘇州 215123)

0 引 言

Ⅲ-Ⅴ族氮化物是當前十分熱門的光電半導體材料之一，鋁鎵氮(AlGaN)作為帶隙可調的直接帶隙寬禁帶半導體材料，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、醫療衛生、殺菌消毒、非視通信等方面都具有廣闊的應用前景[6-10]。但是總體來看，目前所制備的紫外發光二極管(light emitting diode, LED)的外量子效率仍然較低，特別是對于發光波段在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發光效率偏低的原因主要有高質量的AlGaN材料制備較為困難、AlGaN材料的摻雜困難、AlGaN/AlGaN量子阱結構中強的極化效應等。目前，高質量AlGaN基材料制備是實現高性能紫外LED器件的首要條件。由于AlN、GaN同質襯底的缺乏，絕大部分AlGaN基紫外LED器件主要是以異質外延的方式在藍寶石、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模、低成本和紫外透明的AlN/藍寶石襯底。然而異質外延時襯底與外延層之間晶格失配和熱失配的存在，不僅產生大量的位錯，較大殘余應力也會使AlGaN材料出現微裂紋甚至斷裂，這影響了AlGaN的晶體質量，也不利于后續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、遷移增強外延生長法、高溫退火等方法[13-15]，相比之下，高溫金屬有機物化學氣相沉積(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模生產的特點而被廣泛應用。

在本工作中采用一步MOCVD法在藍寶石襯底上直接外延AlN薄膜，通過調節MOCVD生長模式，即采用低壓強、高生長溫度和低Ⅴ/Ⅲ比來增加橫向生長速率，在生長過程中界面形成了一些高密度納米級孔洞，并發現納米級孔洞有降低外延層位錯的作用，在此基礎上外延生長了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 驗

1.1 AlN外延層的生長

在藍寶石襯底上以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)面的藍寶石襯底生長AlN外延層。在壓強50 mbar(1 mbar=0.1 kPa)、Ⅴ/Ⅲ比500、溫度1 200 ℃的條件下生長2 h。

1.2 AlGaN基紫外LED的生長

AlGaN基DUV-LED結構包括2 μm n-AlGaN層，五周期AlGaN多量子阱(multiple quantum well, MQW)和p-GaN接觸層。生長后，p型層在反應腔中于800 ℃的氮氣氣氛中退火20 min，以激活Mg受體。

1.3 紫外LED器件的制備

藍寶石襯底上的DUV-LED器件結構外延生長完成后，分別在器件的n型和p型兩側制備電極。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側進行了Ti(40 nm)/Al(150 nm)/Ni(20 nm)/Au(50 nm)電極的制備，最后在樣品p-GaN的一側進行了Ni(5 nm)/Au(50 nm)電極的制備。

1.4 表征測試

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，FEI，Talos F200X Scios)觀察和分析器件各外延層的結構和位錯類型，并利用EDX分析元素組成。通過陰極熒光(CL，Oxford Monon-CL2)分析樣品表面的發光特性。通過I-V曲線圖分析DUV-LED的電學性質。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌與結構分析

通過AFM可以非常直觀地看出藍寶石襯底上外延生長的AlGaN基DUV-LED的表面形貌，如圖1所示，選擇測試區域為10 μm×10 μm，可以看到GaN層薄膜表面十分清晰的原子臺階，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。

為了進一步分析DUV-LED薄膜的具體結構特性，利用聚焦離子束(focused ion beam, FIB)制備截面TEM的樣品。DUV-LED整體的截面結構如圖2(a)所示，并利用EDX能譜分析得到各層的結構。圖2(a)中白色框線內為在界面處形成的高密度納米級孔洞，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速率和較大的高/寬比。高的生長溫度和低Ⅴ/Ⅲ比都增加了Al原子在材料表面的擴散，增加了橫向生長速率。此外較低的壓強也有利于橫向生長。因此在底部生長未完成之前，上方已經合并完成，導致孔洞的產生[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層量子阱結構。通過EDX可以計算出量子阱Al組分含量為30%。

2.2 外延層位錯分析

2.3 光學性質分析

使用CL進一步表征了DUV-LED薄膜的發光譜線，如圖4所示。在CL譜線中可以看到兩個明顯的發光峰，從左往右分別位于275 nm和550 nm。其中550 nm波段的發光峰為275 nm波段的倍頻峰。證實成功制備了在275 nm波段發光的DUV-LED。

2.4 電學性質分析

利用臺面結構工藝分別在器件的n型和p型兩側制備電極,LED器件結構示意圖如圖5(a)所示，圖5(b)為藍寶石襯底上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,該器件的反向漏電電流僅為2.23 μA，可以看到該器件表現出良好的整流特性。

3 結 論

本文采用MOCVD方法在藍寶石襯底上成功制備了275 nm波段發光的深紫外LED。調節MOCVD生長模式，即采用低壓強、高生長溫度和低Ⅴ/Ⅲ比來增加橫向生長速率，有利于高密度納米級孔洞的形成。利用TEM重點分析了外延層中位錯的分布，可以明顯看到AlN納米級孔洞上方的位錯減少，這有利于高質量AlGaN的外延生長。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)的深紫外LED器件。