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(jī)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(duì)于一個(gè)像是能夠達(dá)到固態(tài)照明目標(biāo)的真實(shí)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(huì)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(shí)會(huì)增加操作電壓并阻礙高驅(qū)動(dòng)電流。

　這件事是起源于使用標(biāo)準(zhǔn)摻雜物-鎂進(jìn)行有機(jī)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(huì)破壞鎂–氫錯(cuò)合物并促進(jìn)導(dǎo)電度，縱使摻雜太多的鎂仍會(huì)造成材料質(zhì)量的劣化。

　氮化物(nitrides)以有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法摻雜鎂也會(huì)受到“記憶效應(yīng)(memory effect)”的影響，這些摻雜物會(huì)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(duì)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(jì)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(cuò)位密度(dislocation densities)。

　以氬氣做為載體氣體的有機(jī)金屬氣相沉積(MOCVD)長晶并不會(huì)更有效果, 因?yàn)榈贗II族蒸鍍源需要更高比例濃度的NH3，這會(huì)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(cuò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電阻率為0.02–1.00 Ω-cm，而電洞移動(dòng)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(cuò)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(duì)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(gè)樣品中的鎂幾乎整個(gè)被活化而其它的部份則只有10%被活化。

　我們已經(jīng)驗(yàn)證了我們下發(fā)光光式HVPE薄膜沉積方法的多樣性。有機(jī)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(shí)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(tuán)隊(duì)的研究與付出，和Oleg Kovalenkov、Vitaly Soukhoveev和Vladimir Ivantsov在本研究上的貢獻(xiàn)。