（微电子学与固体电子学专业论文）提高led光提取效率及其欧姆接触电极制备的研究.pdf

华南师范大学硕上学位论文 摘要 耗，本文通过实验研究了n g a n 欧姆接触电极的制备及其表面形貌的改善，并 分析了n g a n 上欧姆接触形成的机理。 关键词：发光二极管；衬底；掺杂；欧姆接触；光线追迹 l i 华南师范大学硕士学位论文 s t u d yo n im p r o vin gt h elig h te x t r a c tio ne f ficie n c yo f lig h t e mit tin gdio d e sa n dln v e s tig a tio no ft h eo h mic a b s t r a c t c o n t a c to nt h eg a n a st h et h i r dg e n e r a t i o nl i g h ts o u r c e ，l e di se x p e c t e dt ob e c o m et h ei d e a lw a yo f l i g h t i nt h ef u t u r eb e c a u s eo fi t s e c o n o m y , p r a c t i c a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i c s b u tf o rn o w , t h el i g h t i n g - e f f i c i e n c yo fl e d si sn o th i g he n o u g h t o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fl e dl i g h t ，t h e r e a r et w o - p r o n g e da p p r o a c h e s ：f i r s t l y , i m p r o v et h e i n t e r n a l q u a n t u me f f i c i e n c y i s n e c e s s a r y , w h i c hi si m p r o v i n gt h e u t i l i z a t i o no fe l e c t r i c a le n e r g y ；s e c o n d l y , i m p r o v et h el i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hi si m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no ft h el i g h te m i ti nt h el e d i nt h i sp a p e r , t h eg a l l i u mn i t r i d e ( g a n ) l e dl i g h t e m i t t i n gp r i n c i p l ea n ds e v e r a l k e yi s s u e sw a sd e s c r i b e d ，s u c ha st h es e l e c t i o no ft h es u b s t r a t e ；p - g a nd o p e d ；o h m i c c o n t a c te l e c t r o d e ，a n ds oo n f o u r t hm o r e ，a l lo v e r v i e wo ft h er e s e a r c ha b o u tt h e s e i s s u e sw a sd e s c r i b e d m a i ns t r u c t u r et y p e so fl e df o rn o ww a sd e t a i l e d ，s u c ha s t h et r a d i t i o n a l s t r u c t u r e ，j t h eh i p 。c h i pl e d ，t h ev e r t i c a ls t r u c t u r e ，a n ds oo n t h ef e a t u r e so ft h e s e t y p e sw a r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n i ta l s op r o p o s e dt h es u r f a c er o u g h e n i n g ，p h o t o n i c c r y s t a l s ，s p e c i a lb u i l dc h i p sa n do t h e rn e wt e c h n o l o g i e s ，s ot h a tl e dl u m i n o u s e f f i c i e n c yw a si m p r o v e dt oag o o dp u r p o s e b yc o m p a r i n gt h e t h r e em a i ns t r u c t u r a lf e a t u r e s ，i tw a sp o i n t e do u tt h a tt h e f l i p - c h i pl e di sab e t t e rw a yt oi m p r o v et h el u m i n o u se f f i c i e n c yo fl e d t h e m e c h a n i s mt oi m p r o v et h el i g h te m i t t i n ge f f i c i e n c yw a sa n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o n a n a l y s i s ，r e s u l t i n gt h a tt h el i g h tc o n ea n g l ec a nn o tb ei n c r e a s e di nt h ef l i p c h i pl e d ， i tj u s ta v o i dt h ea b s o r p t i o no ft h el i g h tb yt h ep - t y p ec o n t a c ta n dt h er e s i s to ft h el i g h t b yt h ee l e c t r o d el e a d i na d d i t i o n ，i ti m p r o v e dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo fl e d s ， w h i c hi n c r e a s e dt h ei n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c ya n dt h e r m a ls t a b i l i t yo fl e d s t h e r e f o r et h el i g h te m i t t i n ge f f i c i e n c yo ft h ef l i p - c h i pl e di sv e r yl i m i t e d an e w d i a m o n d s h a p e ds t r u c t u r ew a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el i g h t i i i i v 2 2 2p 型g a n 掺杂9 2 2 3 欧姆接触电极的制备1 0 2 。3g a n 基发光二极管的结构18 第三章新型l e d 芯片结构设计2 3 3 1 光学模拟计算用于l e d 芯片结构设计2 3 3 1 1 光学模拟计算的几种方法介绍2 3 3 1 2 光线追迹法用于l e d 芯片设计的理论模型2 5 3 2 光学分析与模拟计算2 8 3 2 1倒装结构l e d 芯片光提取效率分析2 8 3 2 2 菱形结构的提出与探讨3 1 第四章g a n 欧姆接触电极制备及其表面形貌的改善3 6 4 1 金属一半导体接触概述3 6 4 1 1金属一半导体接触类型及用途3 6 4 1 2 对欧姆接触的要求3 7 4 2 欧姆接触电阻率的测量方法3 9 v 华南师范大学硕士学位论文 4 3n 型g a n 上欧姆接触特性研究 4 3 1 实验 4 3 2 实验结果与讨论 4 4n 型g a n 上欧姆接触电极表面形貌改善的研究 全文总结 参考文献 致谢 硕士期间完成的论文与科研项目 v 1 ( 3 ) 寿命长( 在l o - 3 0 m a c m - 2 下，可达1 0 8 - 1 0 9 h ) ； ( 4 ) 响应时间短( 几十个纳秒) ； ( 5 ) 冷光源； ( 6 ) 全固体化，机械性能好，可靠性高； ( 7 ) 选择不同的半导体材料，控制不同的掺杂元素和浓度，可获得各种波长 的光。 1 2 发光二极管发展历程 1 9 0 7 年h e n r yj o s e p hr o u n d 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象瞳3 。 由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很 好的适应，研究被摒弃了。二十年代晚期b e r n h a r dg u d d e n 和r o b e r tw i c h a r d 口3 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。 1 9 3 6 年，g e o r g ed e s t i a u 出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电 流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。二十世纪5 0 年代， 英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义 的l e d ，并于6 0 年代面世。据说在早期的试验中，l e d 需要放置在液化氮里，更 需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。1 9 5 5 年，r u b i n b r a u n s t e i n 发现了砷化镓( g a a s ) 及其他半导体合金的红外放射作用，1 9 6 2 年 华南师范大学硕士学位论文 通用电气公司的n i c kh o l o n y a k 到7 0 年代中期，磷化镓被 采用双层磷化镓芯片( 一个红色 国科学家利用金刚砂制造出发出 7 0 年代末，它能发出纯绿色的光。 8 0 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的l e d 的诞生， 先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到2 0 世纪9 0 年代早期，采用铟铝磷化 镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的l e d 。第一个有历史意义的蓝光l e d 也出现 在9 0 年代早期，再一次利用金钢砂一早期的半导体光源的障碍物。依当今的技 术标准去衡量，它与俄国以前的黄光l e d 一样光源暗淡。 9 0 年代中期，出现了超亮度的氮化镓l e d ，随即又制造出能产生高强度的绿 光和蓝光铟氮镓l e d 。超亮度蓝光蕊片是白光l e d 的核心，在这个发光蕊片上 抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利 用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在l e d 市场上就能看到生产出来的新 奇颜色，如浅绿色和粉红色。有科学思想的读者到现在可能会意识到l e d 的发 展经历了一个漫长而曲折的历史过程。事实上，最近开发的l e d 不仅能发射出纯 紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。那么l e d 发展史到低能走多远，不 得而知。也许某天就能开发出能发x 射线的l e d 。早期的l e d 只能应用于指示灯、 早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下 的一段时间继续下去。 1 3 发光二极管发展现状与趋势 高亮度单色光的l e d 已经在市场上取得了进展。尽管它们与传统的灯泡相比 更加昂贵，但是它们的优点完全可以抵消其较高的价格，即它具有更高的性价比。 首先，一个红色l e d 的功耗仅仅是1 5 瓦，而传统的灯泡则高达1 5 0 瓦。其次是 l e d 寿命长，可达1 0 年以上。单色l e d 体积小、功耗低、亮度强和热量低的特 点也非常适合用作汽车尾灯、航班警告灯和跑道灯等。但是照明工业和研究者们 最感兴趣的是白色l e d ，因为只有白光l e d 才能真正用于照明，实现l e d 应用的 最终目的，这也是未来l e d 发展的必然趋势。 这样就提出了一个挑战：怎样才能从单色光l e d 中得到白光? 一种方法是 2 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 将不同颜色的l e d 混合在一起产生白光b “1 。就像电视用炽热的红、绿、蓝色 荧光粉来产生各种颜色，当然也包括白色，恰当的l e d 组合也可以产生白光。标 准组合是红、绿、蓝色二极管的组合，而最佳组合仅仅用蓝色和桔色两种l e d 即可。 通过紫外l e d 激发三色荧光粉和蓝光l e d 激发黄色荧光粉都可获得白光哺1 ， 但采用紫外光激发荧光粉的方法存在转换效率低和紫外光泄漏等问题，而用蓝光 激发荧光粉产生的白光的显色指数较低，角度均匀性较差以及随时间的退化。 已有文献报道了通过单芯片产生白光的方式口1 ，通过光子循环或者共掺的有 源区以及在一个材料结构中生长发射两种波长光的量子阱等方式实现。中国科学 院物理研究所陈弘研究组阳1 通过调节量子阱应变和局域化得到单芯片白光l e d ， 在同意发光层中发出两个波长的光混合得到白光，制备工艺简单易行，为白光 l e d 的实现提供了新的思路。同样是该研究组创新设计了一种i n g a n g a n 宽窄耦 合双量子阱结构l e d ，可发出白光阳1 。 目前最常用的方法仍然是用l e d 去激励其它可以发出白光的材料。其他方式 由于工艺较复杂，或者效率不高，尚处在实验室研究阶段。 l e d 最终目标是能应用与普通照明，美国光电工业发展协会( o i d a ) 对白光 l e d 的发展作出了展望n0 1 ，目前白光l e d 的发光效率大于钨丝灯和卤光灯，希望 2 0 0 7 年达到1 0 0 1 m w ，2 0 1 2 年达到1 5 0l m w ，2 0 2 0 年达到2 0 0l m w ，理论上白 光l e d 可达到3 0 0 4 0 0l m w 。 l e d 必将是未来的照明设备，但是，l e d 如果想要在照明市场上占领较大的 份额，就必须进一步提高其发光效率，以抵消其昂贵的价格，未来l e d 必须朝着 下面的四个方向发展n 妇： 1 ) 高亮度； 2 ) 全色化； 3 ) 低成本； 4 ) 长寿命。 3 华南师范 发 结电注 有比较 一般为 光功率 限于波 料的禁 2 1 发光二极管是一种特殊的二极管，和普通二极管一样，发光二极管有半导体 芯片组成，这些半导体材料会预先透过注入或掺杂等工艺产生p - n 结。与其他二 极管一样，发光二极管中的电流也是单向导通，两种不同的载流子：空穴和电子 在不同的电极电压作用下从电流流向p n 结。当空穴和电子相遇而产生复合，电 子会跌落至较低的能级，同时以光子的形势释放剩余能量。 当半导体材料处于热平衡状态时，光子发射和吸收两个过程保持平衡。此时， 要使半导体发光，必须激发使材料处于非平衡状态，通过非平衡载流子的复合才 能使光从半导体中发射出来。注入式电致发光是重要的激发方法。在l e d 中， 存在同质p - n 结构和异质p - n 结构的l e d 。 ( 1 ) 同质p n 结注入发光 同质p - n 结注入发光的机理如图2 - 1 所示，当p - n 结加正向偏压时，电子从 n 区向p 区扩散，同时空穴从p 区向n 区扩散，半导体中载流子分布从平衡变为 非平衡。在实际的p - n 结中，扩散长度远大于势垒区宽度，电子和空穴通过势垒 区时因复合消失的几率很小。因此在正向偏压下，p - n 结势垒区和两侧扩散区便 注入了非平衡少数载流子。这些非平衡的少数载流子与多数载流子复合，发射出 光子。 4 发光二极管 p 区和n 的势垒比 电子要高得多。电流主要由电子从n 区进入p 区形成，禁带宽度e g 比较大的n 区为电子注入源，而较小的p 区为复合发光区，其辐射光谱主要决定于p 区材料。 由于异质结禁带宽度差形成的势垒对空穴的限制比同质结强很多，所以其电子注 入效率很高。并且由于n 区禁带宽度较大，从p 区产生的光子进入该区时不易 被再吸收，因此发光效率比同质结高。 在l e d 中，采用双异质结构。提高注入比，使电子注入效率更高，可限制少 数载流子泄漏，减小了有源区的长度，减少了材料对光子吸收。发光效率显著提 高。由于限制层的禁带宽度e g 大于有源层，因此对于有源层发出的光子来说是 透明的，减小了体内吸收。 图2 - 2 异质p - n 结注入发光过程 2 2g a n 基l e d 制备中的几个关键问题 g a n 的体单晶制各相当困难，即使在高：温a ( 1 0 0 0 1 6 0 0 c ) 、高压( 1 0 一2 0 k b a r ) 的条件下，得到的g a n 单晶也只是小尺寸的，无法满足工业化和商业化的需要。 当前，g a n 薄膜一般都是采用外延生长。外延( e p i t a x y ) 是指在晶体衬底上按衬底 5 华南师范大学硕士学位论文 第二章g a n 发光二极管 扩展单晶薄膜的晶体生长方式。按衬底材料和生长的薄膜材料是否为同一物质， 分为同质外延( h o m o e p i t a x y ) 和异质外延( h e t e r e p i t a x y ) 。同质外延的典型例子就是 在硅衬底上沉积硅单晶薄膜。由于许多材料的同质衬底难于制备，异质外延是比 同质外延更常用的薄膜生长技术。如a l a s 沉积在g a a s 衬底上。许多化合物半 导体的光电子器件都是基于异质外延薄膜结构。 2 2 1g a n 外延生长的衬底选择 外延生长半导体材料时首先要选择一种晶体质量好的材料作为衬底，然后在 此衬底上生长所需要的外延结构，如果衬底与外延材料的晶格结构存在较大的差 别，就会在界面处产生大量缺陷，严重影响材料的生长质量，因此，总是希望在 晶格完全匹配的衬底材料上进行外延生长，最好的晶格匹配的衬底材料是与外延 材料相同，然而对于g a n ，由于缺少自然存在的g a n 体单晶，无法采用g a n 作 为其外延生长的衬底，而要制备g a n 体单晶，将付出昂贵的代价。因此，自g a n 应用以来，人们一直在寻找合适的衬底材料，但始终未能找到一种晶格完全匹配， 而又适用于外延生长的衬底。 尽管人们采取种种措施来实现较好晶体质量的外延结构，但对衬底的选择依 然极为严格，要使异质衬底符合需求，必须具备以下几个特点： ( 1 )结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失 配度小、结晶性能好、缺陷密度小； ( 2 )界面特性好，有利于外延材料成核且豁附性强； ( 3 )化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀； ( 4 )热学性能好，包括热导性好和热失配度小； ( 5 ) 导电性好，能制成上下结构； ( 6 )光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小； ( 7 )机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等； ( 8 ) 价格低廉： ( 9 )大尺寸，一般要求直径不小于2 英寸。 然而要寻找到完全符合以上特点的衬底是非常困难的，目前g a n 材料的生 长都是采用所谓异质外延，通过生长缓冲层，衬底图形化等方法获得质量较好的 g a n 材料。 6 华南师范大学硕士学位论文第二章g a n 发光二极管 用于g a n 研究的衬底材料比较多，如s i c 、z n o 、a 1 2 0 3 、s i 等。但是能用 于商业化生产的衬底目前只有二种：蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 和碳化硅( s i c ) 。此外，近 年来，s i 衬底以其各方面优势得到了国内外研究者的广泛关注。下面介绍几种主 要的衬底的优缺点： ( 1 ) 蓝宝石衬底 通常，g a n 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石 衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好； 其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石 的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为 衬底。 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这 会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝 石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1 0 1 1 0 c m ，在这种情况下无法制 作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n 型和p 型电极。在上表 面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光 刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于p 型g a n 掺 杂困难，当前普遍采用在p 型g a n 上制备金属透明电极的方法，使电流扩 散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约3 0 4 0 的 光，同时g a n 基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻 蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在l e d 器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割( 从4 0 0 n m 减到1 0 0 n m 左 右) 。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好( 在1 0 0 约为2 5 w ( m k ) ) 。因此在 使用l e d 器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件， 导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将 g a n 光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 ( 2 ) 硅衬底 7 华南师范大学硕上 流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了l e d 的发光面积，从而提高 了l e d 的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显 改善，从而延长了器件的寿命。 ( 3 ) 碳化硅衬底 碳化硅衬底( 美国的c r e e 公司专门采用s i c 材料作为衬底) 的l e d 芯片电极是l 型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导 电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。 碳化硅衬底的导热性能( 碳化硅的导热系数为4 9 0 w ( m k ) ) 要比蓝宝 石衬底高出1 0 倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底 部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯 片电极为l 型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通 过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩 散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是碳化硅制造成本较高，实 现其商业化还需要降低相应的成本；晶体质量难以达到蓝宝石和s i 那么好、 机械加工性能比较差，另外，s i c 衬底吸收3 8 0 纳米以下的紫外光，不适 合用来研发3 8 0 纳米以下的紫外l e d 。 ( 4 ) 氮化镓： 用于g a n 生长的最理想衬底是g a n 单晶材料，可以大大提高外延膜 的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器 件工作电流密度。但是制备g a n 体单晶非常困难，到目前为止还未有行之 有效的办法。 ( 5 ) 氧化锌： z n o 之所以能成为g a n 外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的 相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近( 能带 8 华南师范大学硕上学位论文第二章o a n 发光二极管 不连续值小，接触势垒小) 。但是，z n o 作为g a n 外延衬底的致命弱点是 在g a n 外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，z n o 半导体材料尚 不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水 平和p 型掺杂问题没有得到真正解决，适合z n o 基半导体材料生长的设备 尚未研制成功。 以上比较了各种用于g a n 外延生长的衬底材料，综合各方面因素，就 目前而言，蓝宝石衬底仍然比其他材料更具优势，而其他材料虽有这诱人 的优点，但他们不是成本太高，就是还不能用于制各高质量的外延结构， 因此，目前广泛采用的衬底还是以蓝宝石为主，对其缺点，人们提出了许 多方来来弥补。 2 2 2p 型g a n 掺杂 对于g a n 材料，存在p 型掺杂难问题，由于n 空位和品格的不完整性， 通常非故意掺杂的g a n 显示n 型，其背景载流子浓度达到1 0 1 8 - 1 0 1 9a m ，通 过优化工艺，特别是外延技术的进步，通过生长缓冲层等手段可使背景载 流子浓度降至1 0 1 6 - 1 0 1 7 c m 一，要得到p 型g a n ，必须补偿掉这种背景载流子， 通常对g a n 进行m g 掺杂以获得p 型g a n ，m g 在g a n 中的离化率不到1 ，载 流子浓度通常只有1 0 1 7c i i i ，这是由于m g 在g a n 中的激活能较高，较难在 g a n 中实现有效掺杂，此外，m g 容易与h 结合，由此也会降低载流子浓度； 一般采用高温退火来激活m g ，可使掺杂的m g 实现1 激活。要实现重掺杂， 材料的生长温度要求较高，在g a n 基l e d 外延片生长过程中，通常先生长 多量子阱，然后在其上生长p - g a n ，如生长温度过高，则可能破坏多量子阱。 在这样的情况下生长重掺杂p - g a n ，其晶格质量通常较差。此外，重掺杂由 于杂质间距缩短，其强烈的相互作用可引起晶格畸变，而一些杂质原子可 能进入晶格间隙，使晶格质量变差，因此要提高p - g a n 载流子浓度，还不 能单靠提高其掺杂浓度的办法来实现。 掺杂困难首先使得p - g a n 载流子迁移率很低，电阻率较高，因此当在 g a n 基l e d 中注入电流时，由于高的电阻率，电流很难均匀扩展，造成电流 拥挤，使得l e d 局部过热，而其余区域因为没有足够的载流子注入，不会 发光或发光很弱。因此，电流均匀扩展问题一直是研究l e d 的一个重要问 9 华南师范大学硕：卜学位论文第二章g a n 发光二极管 题；此外，由于p - g a n 载流子浓度较低，在制备p 型欧姆接触电极时很难 形成良好的欧姆接触，其接触电阻通常较n g a n 要高出一个至两个数量级， 注入的电流有很大一部分消耗在p 型欧姆接触上，而这种消耗又属于电阻 性的，消耗的能量只能转化为热量，对l e d 热特性有不利影响。 1 9 8 9 年，a m a n o n2 1 等人通过m o c v d 、m g 的掺杂和低能量的电子辐照处理， 首次获得了p 型g a n ，并制作成功p - n 结发光二极管。但p 型化程度不够， 仅得到1 0 1 6 c m 一3 的掺杂载流子浓度。中村修二等人通过对m g 掺杂的g a n 进 行热退火处理，得到低电阻的p 型g a n ，g a n 膜的导电性也比较均匀。同样 是中村修二等人在p 型g a n 的研究中发现了m g h 络合物的补偿问题，他们 将掺杂m g 的g a n 在氮气氛围中7 0 0 。c 退火，电阻率迅速下降，而在n h 。中高 温退火时电阻率又急剧升高，他们分析其原因为h 会与m g 结合，相当于钝 化作用，使掺杂的m g 失去电活性，因此p - g a n 的电阻率升高，而在高温退 火时，剧烈的热运动会使得m g - h 键断裂，m g 原子重新被激活，恢复电活性， 因此目前p - g a n 主要通过m g 中掺杂，然后在7 0 0 c 以上高温退火，可获得 1 0 c m 3 数量级的载流子浓度；杨志坚，张国义“3 1 等人通过对p 型g a n 进行 低能m g 离子注入，8 0 0 。c 退火后在1 0 0 n m 表面得到了载流子浓度为8 2 8 1 0 盯c m 。3 的高掺杂薄层，而未经离子注入的p 型g a n 的空穴浓度只有2 5 1 0 1 7 c m q 此外，在制备欧姆接触电极时，通过在电极材料中掺入某种杂质， 可在接触界面g a n 一侧形成高的载流子浓度区域，从而降低欧姆接触电阻 率。 2 2 3 欧姆接触电极制备 要实现l e d 发光，首先必须通过沉积在半导体上的欧姆接触电极注入电流， 因此，欧姆接触电极对实现高效l e d 极为重要。良好的接触电极应该欧姆特性的。 在金属电极与半导体的接触上，存在两种接触，一种是肖特基接触，一种为 欧姆接触，这两种接触在半导体工业都有极为重要的应用。 2 2 3 1p - g a n 欧姆接触电极 p - g a n 的高功函数和低载流子浓度使得良好的p - g a n 欧姆接触极难制备， 严重妨碍了g a n 器件特别是蓝光l e d 的光电特性，而蓝光l e d 是l e d 用于白 光照明的核心问题，因此，制备低欧姆接触电阻p 型电极成为l e d 发展的关键 1 0 华南师范大学硕士学位论文 第二章g a n 发光二极管 问题之一。 p - g a n 低欧姆接触电极制备困难的主要原因有以下两个问题： ( 1 ) p - g a n 掺杂难，难以得到1 0 1 8 c i n 弓以上的载流子浓度，因而载流子无法隧 穿接触界面； ( 2 ) 缺乏高功函数的金属与p - g a n 匹配，p g a n 的功函数为7 5 e v ，而自然界 存在的最高功函数的p t 也只有5 6 e v ，因而在接触界面会形成一个很高且 宽的势垒，载流子需要很强的电场强度激发才可以通过。 目前普遍认为n i a u 合金可以与p - g a n 形成最好的欧姆接触，其机理已有 许多研究者作了大量研究，基本上已得出一个统一的结论。通常认为n i a u 电极 通过退火后，n i 会被氧化形成n i o ，而由于n i 的不完全氧化，在n i o 中形成大 量o 空位，相当于对其重掺杂，h o 等人【1 4 】利用n i a u 合金系统将p - g a n 欧姆接 触电阻率降低至4 1 0 。6q c m 2 ，他们制备的合金电极中，n i o 的空穴浓度达到 1 3 1 0 1 9 c m 一。因此n i a u 合金系统实际上是一种p p m e t a l 结构，由于n i o 的重 掺杂，比较容易与p - g a n 形成较好的欧姆接触；此外，该合金系统在高温下退 火时，n i 会外翻至a u 表面，而a u 则扩散至p - g a n 表面并聚集成不连续的a u 岛，这样既保证了好的欧姆接触特性，又使得电极具备高的电导率。但对于n i a u 合金电极，其制备的工艺条件对欧姆接触特性有着还总要影响，因此，国内外许 多研究者对该合金系统做了大量的实验研究。 对于n i a u 合金系统，要得到低的欧姆接触电阻，主要控制退火温度、时 间、氛围，n i 和a u 的厚度。l i n 等人【1 5 】在实验中发现退火温度太高，时间太长， 电极欧姆接触电阻逐渐增大，o 和n i 的浓度对比也增大，这说明n i a u 合金热 稳定性较差，可能由于高温下n i 过度外翻，与p - g a n 表面分离，接触变差，而 n i 过度氧化对电极导电性不利。此外，高温下a u 会发生内扩散，严重时会扩散 至g a n 体内甚至到达有源区，造成外延结构性能变差或完全破坏。对于n i a u 系统的厚度也要严格控制，n i 太厚，下层n i 不易与o 结合，无法在界面形成 n i o ，而a u 太厚，则在g a n 表面形成的a u 岛过于密集，不利于透光，扩散至 外延层还会造成严重的漏电流。 基于n i a u 体系存在以上缺点，研究人员尝试采用无a u 的p 电极金属体 系。c a o 等【1 6 1 采用w 和w s ix 作电极3 0 0 退火后，获得热稳定的p g a n 欧姆接 华南师范大学硕十学位论文 第二章g a n 发光二极管 触，但接触电阻率为6 8x1 0 。2q c m 2 。p t 的功函数为5 3 8e v ，p t 基的p 型接触 也得到了广泛的研究。j a n g 等【1 7 1 报道了中等掺杂p g a n ：m g ( 3 1 0 1 7 c m 3 ) 的低 阻欧姆接触p t ( 2 0m m ) n i ( 3 0 n m ) a u ( 8 0m m ) 金属化方案，测得的接触电阻率 达5 1 1 0 4q c m 2 。a r a i 等1 1 8 】对p t ，p t a u ，n i a u 和t a t i 分别制作在 m g 掺杂的p g a n 外延层上，空穴浓度为( 6 7 ) 1 01 7 c m 一，在0 2 和n 2 氛围退 火，结果表明t a t i 接触电阻率最低，约为3 1 0 _ 5q c m 2 ，但在空气中会变质。 在p g a n 欧姆接触电极制备中还要考虑另一个问题，就是电极的透光率，要 求电极是透明的，早期的透明电极主要是n i a u 透明电极，这是因为退火后形成 的n i o 是一种透明材料，但a u 是不透明的，因此电极厚度不能太厚，而过薄电流 难以均匀扩散，导致芯片局部过热，其透光率也不理想，d o n g s e o k 等人报道【1 9 l ， 其制备的n i a u 在4 6 5 n m 波段透光率为5 3 。p t 基与p g a n 接触具较高的透射率， 低阻和热稳定性，p t ( 2 0 0n m ) r u ( 5 0n m ) 接触在4 7 0n m 的透射率达8 7 3 1 2 0 。 因此p t 基接触适合用于g a n 基发光器件。金属电极作为g a n 基l e d 的p 型电极， 其透光率不能令人满意，因此，各种高透光率的透明电极迅速发展起来，主要有 氧化铟锡( i t o ) 、s n 0 2 氧化铟、氧化铟锌等。i t o 是一种应用较为普遍的透明电 极，是一种重简并宽带隙n 型半导体，其载流子浓度高、电阻率低，最低可达到 1 0 - 4q c m 2 在可见光范围内具有很高的透射比( 8 5 ) ，而在g a n 基l e d 的蓝光 波段，其透射率更是达到了9 5 以上。i t 0 有类似金属导电的性质，但价格较贵。 近年来，舢掺杂z n o 薄膜( a z o ) 以其可与i t o 相比拟的光电性能等优点，成 为替代i t o 的首选材料。但目前由于技术原因应用还不广泛，目前产业上主要 还是以i t 0 透明电极为主。 i t 0 f l o 掺锡氧化铟( i n d i u mt i no x i d e ) 透光导电膜，其禁带宽度介于3 5 4 3 e v 之间，最大载流子浓度为1 0 2 1 c m - a ，在可见光范围内都有很高的光透射比，在 红外区有很高的反射率，还有类金属的导电性，i t 0 膜也有很高的透射比，很高 的红外反射率，很好的导电率，对基片有很好的吸附性，还具有化学惰性，因此它 可广泛应用于液晶显示器电极、太阳能设备的热镜、气体传感器、透明电极、热 反射镜等领域。其制备的方法主要有磁控溅射，电子束蒸发和化学方法。 在i t 0 薄膜中，氧空位v 。和s n 替位掺杂是载流子的主要来源，每个v 。带 两个负电荷可以提供两个自由电子，而个四价的s n 替代三价的i n 形成n 型 华南师范大学硕士学位论文第二章g a n 发光二极管 掺杂并可提供一个自由电子根据h u 等人报道豫，低温沉积的i t o 薄膜中导电 电子主要来自氧空位产生的自由电子，而将低温沉积的i t o 薄膜在空气中退火， 空气中氧气与薄膜反应，生成晶格结构中氧位置上的氧原子，使得薄膜中氧空 位浓度减少，载流子浓度降低。 已有许多学者对i t o 光电性能做了大量研究，参考文献 2 2 报道了不同掺s n 比率对i t o 光电性能的影响，发现s n 组分对i t o 透光比率影响较小，而对i t o 膜的 导电性能有较大影响，掺s n l l 率为1 6 一2 4 较为适宜。而参考文献 2 3 则报道了 利用退火工艺i t o 的光电性能的影响，该文采用直流磁控溅射的方法在石英衬底 上制备了i t o 薄膜，在退火后样品在可见光区域的透过率增加，光学吸收边往长 波方向移动。但经退火后，i t o 膜的载流子浓度，载流子迁移率都会减小，导致 电阻率增大。在该文描述的实验中，退火是在空气氛围下进行的，因此在退火过 程中，空气中的氧与薄膜反应，填补了原本的氧空位，因而载流子浓度和迁移率 减小。虽然i t o 在透光率方面有着完美的表现，但一个致命的问题是，i t 0 很难与 p - g a n 形成良好的欧姆接触，目前常用n i 作为p g a n i t o 之间的金属层，h o r n g 等担4 1 通过n i i t o 结构在空气中6 0 0 退火条件下形成低接触电阻率、高透光率 的p g a n 电极，l i u 等瞳射研究发现n i i t o 结构比传统n i a u 结构g a n 基l e d 光效 提高2 5 左右，效果非常明显。 对于p g a n 欧姆接触，文献 2 6 报道了一种新的思路，即在p - g a n 上生长 p i n g a n g a n 超晶格结构作为p g a n 接触层，然后蒸镀n i a u 电极，以此来获得 低阻欧姆接触。利用i n g a n 中m g 的低激活能，提高了p 型材料的空穴浓度，且它 与g a n 的极化场效应能形成局部的高空穴浓度，从而实现良好的p 型欧姆接触， h a ll 澳l j 试获得p - g a n 载流子浓度为3 5 7 1 0 1 8c m - 3 ，采用圆形传输线模型( c t l m ) 测得5 5 0 ，氧气氛围中退火3 0 m i n s 后比接触电阻为1 9 9 1 0 一q c m 2 在倒装结构l e d 中，还应考虑l e d 的反射光特性，要求欧姆接触电极既要有低 的欧姆接触电阻率，又要具备高的反光性能。传统的合金系统反射率很低，因此 在倒装结构l e d 的应用中，必须开发新的接触电极以达到上述两个要求，a g 和 a 1 是可见光范围内最好的反射镜，但a 1 与p g a n 很难形成欧姆接触，a g 可形成 欧姆接触，但在稳定性及与p - g a n 表面粘附性等方面存在问题，综合各方面，采用 复合结构作p 电极是较佳的方案，s o n g 等1 采用z n - n i a g 电极用于蓝光 1 3 华南师范大学硕上学位论文第二章g a n 发光二极管 ( 4 6 0 n m ) 的f li p - c h i p l e d s 上，j a n g 等呦1 用n i a g r u n i a u 作为p 型反射电 极用在蓝光( 4 7 0n m ) 的f li p - c h i p le d 上，k i m 等啪1 在蓝光( 4 5 0n m ) f li p - c h i p le d 上使用r u 0 2 s i 0 2 a g 电极。他们认为采用复合结构使电极即有低阻抗 又有高的反射率。一种较为行之有效的方法是生长布拉格多层结构反射镜，通过 生长多层光学薄膜，可以是发射率达至u 9 0 以上，但由于通常在设计时，是以垂 直入射光为前提，因而布拉格反射镜只对垂直入射的光子有高的反射率，而对于 那些以一定角度入射的光子，由于偏离了干涉原理，其反射率很低，因而无法做 到全方位反射。基于此，人们提出了一种全方位反射镜电极 跚3 2 1 ( o m n i - d i r e c t i o n a lr e f l e c t o r ，0 d r ) ，其基本原理及制备过程如图2 - 3 所示： 羔 丸“4 n ) f t o p v i e w a ) g r o w t h d i e l e c t r i c c 疗，1 4 5 ) t c l po h m i c c o n t a c t t o pw i n d o w l a y e r a c l i v el a y e r s b o t t o mw i n d o w b o t t o mc o n t a c t s l o w i n d e xl a y e r b o t t o mm e t a l i z a b o n m i c r o - c o n t a c t s - 1 c o v e 嘲e 图2 - 3 a 全方位反射镜电极结构示意图 b ) b a c k s i d e p r o c e s s n g ( c ) b o n d i n g t oh o l d e r d ) s u b s t r a t e r e m o v a l 图2 - 3 b 全方位反射镜电极制备流程 图2 - 3 全方位反射镜电极 1 4 ( e ) f r o n t - s i d e p r o c e s s i n g 訾“i “訾一一“警”攀 华南师范人学硕士学位论文第二章g a n 发光二极管 首先在半导体材料表