AlGaN基深紫外LED的外延生长及光电性能研究
作者：文阅期刊网 来源：文阅编辑中心 日期：2022-06-14 09:17人气：
摘 要：AlGaN基材料作为带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料，是制备紫外光电子器件的理想材料。在无法获得大尺寸、低成本的同质衬底的情况下，高质量AlN薄膜的异质外延是促进紫外器件发展的关键。本文中，通过调节蓝宝石衬底上AlN的金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)生长模式产生高密度纳米级孔洞，并利用纳米级孔洞来降低AlN的位错，并在此基础上外延了AlGaN量子阱结构，得到了275 nm波段的深紫外LED薄膜，并获得低开启电压和良好整流性能的深紫外LED器件。
关键词: AIN薄膜; AlGaN材料;紫外LED;异质外延;纳米级孔洞;
Epitaxial Growth and Optoelectronic Properties of AlGaN-Based Deep-Ultraviolet LED
LILu XUYu CAO Bing XU Ke .
School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University Key Lab of Advanced
Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province and Key Lab of Modern Optical
Technologies of Education Ministry of China Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics,
Chinese Academy Sciences
Abstract：
AlGaN-based materials are ideal for the preparation of UV (ultraviolet) optoelectronic devices as bandgap-tunable direct bandgap wide semiconductor materials. In the absence of access to large-size, low-cost homogeneous substrates, heterogeneous epitaxy of high-quality AlN films is the key to facilitate the development of UV devices. In this work, the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) growth pattern of AlN on sapphire substrates was adjusted to generate high density nanoscale holes and used the holes to reduce the dislocations of AlN. Based on this, the AlGaN quantum well structure was epitaxially developed. Deep-UV LED films in the 275 nm band were obtained by epitaxy, and deep-UV LED devices with low turn-on voltage and good rectification performance were obtained.
Keyword：
AlN thin film; AlGaN material; UV LED; heterogeneous epitaxy; nanoscale hole;
0 引 言
Ⅲ-Ⅴ族氮化物是当前十分热门的光电半导体材料之一，铝镓氮（AlGaN）作为带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料，是制备紫外光电子器件的理想材料[1,2,3,4,5]。AlGaN基光电器件在照明、医疗卫生、杀菌消毒、非视通信等方面都具有广阔的应用前景[6,7,8,9,10]。但是总体来看，目前所制备的紫外发光二极管（light emitting diode, LED）的外量子效率仍然较低，特别是对于发光波段在350 nm以下的紫外LED，它们的外量子效率大多集中在10%以下。造成AlGaN基紫外LED发光效率偏低的原因主要有高质量的AlGaN材料制备较为困难、AlGaN材料的掺杂困难、AlGaN/AlGaN量子阱结构中强的极化效应等。目前，高质量AlGaN基材料制备是实现高性能紫外LED器件的首要条件。由于AlN、GaN同质衬底的缺乏，绝大部分AlGaN基紫外LED器件主要是以异质外延的方式在蓝宝石、碳化硅等衬底上制备[11,12]。因此紫外LED器件的制造仍然很大程度上依赖于大规模、低成本和紫外透明的AlN/蓝宝石衬底。然而由于异质外延时衬底与外延层之间晶格失配和热失配的存在，不仅产生大量的位错，较大残余应力也会使AlGaN材料出现微裂纹甚至断裂，这影响了AlGaN的晶体质量，也不利于后续紫外光电子器件的制备。为解决这些问题，研究人员提出了脉冲原子层外延（PALE）、迁移增强外延生长法（MEE）、高温退火（HTA）等方法[13,14,15]。
在本工作中采用一步高温金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)法在蓝宝石衬底上直接外延AlN薄膜，通过调节MOCVD生长模式用低压强、高生长温度和低Ⅴ/Ⅲ比来增加横向生长速率，在生长过程中界面形成了一些高密度纳米级孔洞，并发现纳米级孔洞有降低外延层位错的作用，在此基础上外延生长了275 nm波段的深紫外LED薄膜，最终获得低开启电压和良好整流性能的深紫外LED器件。
1 实 验
1.1 AlN外延层的生长
在蓝宝石衬底上以NH3、TMA、TMG分别作为N源、Al源、GaN源，H2作为载气。先采用一步高温MOCVD法在(0001)面的蓝宝石衬底生长AlN外延层。在压强50 mbar（1 mbar=0.1 kPa）、Ⅴ/Ⅲ比500、温度1200 ℃的条件下生长2 h。
1.2 AlGaN基紫外LED的生长
AlGaN基DUV-LED结构包括2 µm n-AlGaN层，五周期AlGaN多量子阱（MQW）和p-GaN接触层。生长后，p型层在反应腔中在800℃的氮气气氛中退火20 min，以激活Mg受体。
1.3紫外LED器件的制备
蓝宝石衬底上的深紫外紫外LED器件结构外延生长完成后，分别在器件的n型和p型两侧制备电极。需要通过电感耦合等离子刻蚀(inductively coupled plasma, ICP)工艺制备,随后采用真空蒸镀的方法在n型AlGaN侧进行了Ti(40 nm)/Al(150 nm)/Ni(20 nm)/Au(50 nm)电极的制备，最后在样品p-GaN的一侧进行了Ni(5 nm)/ Au(50 nm)电极的制备。
1.4 表征测试
AlGaN基深紫外LED样品的微观形貌通过原子力显微镜（AFM，Veeco，Dimension 3100）和透射电子显微镜（TEM，FEI，Talos F200X Scios）观察，分析器件各外延层的结构和位错类型与分布。通过阴极荧光（CL，Oxford Monon-CL2）分析样品表面的发光特性。通过I-V曲线图分析紫外LED的电学性质。
2 结果与讨论
2.1微观形貌与结构分析
通过AFM可以非常直观地看出蓝宝石衬底上外延生长的AlGaN基深紫外LED的表面形貌，如图1所示，选择测试区域为10 μm×10 μm，可以看到GaN层薄膜GaN层薄膜表面十分清晰的原子台阶，表面粗糙度在0.18 nm，表面没有裂纹与凹坑和开裂，反映出薄膜具有十分平整的形貌。
为了进一步分析紫外LED薄膜的具体结构特性，利用聚焦离子束（focused ion beam, FIB）制备截面TEM的样品。深紫外LED整体的截面结构如图2(a)所示，并利用EDX能谱分析得到各层的结构。图2(a)中白色框图处为在界面处形成的高密度纳米级孔洞，孔洞密度约为8.0×109 cm-2。孔洞的形成源于3D岛之间的高速横向生长速率和较大的高/宽比。高的生长温度和低Ⅴ/Ⅲ比都增加了Al原子在材料表面的扩散，增加了横向生长速率。此外较低的压强也有利于横向生长。因此在底部生长未完成之前，上方已经合并完成，导致孔洞的产生[16,17,18]。
AlGaN量子阱层为最上层AlGaN的表面，如图2（b）中所示，可以看到清晰的5层量子阱结构。通过EDX可以计算出量子阱Al组分含量为30%。
2.2外延层位错分析
在双束模式的STEM图像中，十分容易观测到位错类型和分布情况。测试时，选择g矢量为[0002]时可以观察到螺位错和混合位错，而选择g矢量为[11-20]时可以观察到刃位错和混合位错。图3(a)与(b)分别是g矢量为[0002]下明场与暗场的双束模式STEM图像，图3(c)与(d)分别是g矢量为[11-20]下明场与暗场的双束模式STEM图像，可以看到AlN和AlGaN外延层中的位错分布以混合位错为主，同时也存在着螺位错与刃位错。从图3(c)位置1中可以看到AlN和蓝宝石的界面处有大量的位错，由于相邻的位错之间距离较近，一些位错很快被形成束状或团状，其余位错沿着[0001]方向向上延伸。在经过高密度的纳米级孔洞之后（如位置2），部分位错消失。据报道在纳米图案化衬底模板上侧向外延生长（ELOG）时，在AlN的侧向生长过程中，图案化衬底模板的上方容易形成空隙，为位错终止提供了自由表面，另一方面孔洞还可以释放应力[19,20,21]。从图3中可以看到AlN孔洞上层（位置2）的位错较孔洞下方（位置1）有明显的减少。在此基础上外延得到AlGaN层的位错密度也有所降低（如图位置3）。但是若孔洞密度过高会导致在AlN晶柱合并的过程中会产生新的位错。最终得到的AlGaN外延层中位错密度约为5.6×109 cm-2。
2.3光学性质分析
使用CL进一步表征了紫外LED薄膜的发光谱线，如图4所示。在CL谱线中可以看到两个明显的发光峰，从左往右分别位于275 nm和550 nm。其中550 nm波段的发光为275 nm波段的倍频峰。证实了成功制备在275 nm波段发光的深紫外LED。
2.4电学性质分析
利用工艺分别在器件的n型和p型两侧制备电极,LED器件结构示意图如图5(a)所示，图5(b)为蓝宝石衬底上AlGaN基深紫外LED器件的I-V特性曲线，其开始电压约为4.8 V，在电压为－3.0 V时,紫外LED器件的反向漏电电流仅为2.23 μA，可以看到该紫外LED器件表现出良好的整流特性。
3 结 论
本文采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上成功制备了275 nm波段发光的深紫外LED。通过调节MOCVD生长模式——采用低压强、高生长温度和低Ⅴ/Ⅲ比来增加横向生长速率，有利于高密度纳米级孔洞的形成。利用TEM重点分析了外延层中位错的分布，明显可以看到AlN纳米级孔洞上方的位错减少，这有利于高质量AlGaN的外延制备。最后成功制备了低开启电压和良好整流性能的深紫外LED器件。
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