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高Al组分AlGaN基紫外LED结构材料

张彬彬;李书平;李金钗;蔡端俊;陈航洋;刘达艺;康俊勇

【摘要】HighAlcontentAlGaN-badultravioletlight-emittingdiode

(LED)structuresweregrownonsapphiresubstratebymetalorganicvapor-

phaepitaxy(MOVPE).Thepuldatomiclayerepitaxytechnologywas

ontactsfortheLEDdevices

-LEDswith

differentwave-length(from260nmto330nm)wereachievedbytuning

theAlcontent.%采用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在c面蓝宝石衬底上,引

入脉冲原子层外延技术,制备了一系列表面平整度较高的高Al组分AlGaN基异质

结构外延片.并采用电子束金属蒸镀技术及优化热退火方法,获得了良好的欧姆接触

电极,进一步将外延片制备成LED管芯.通过对量子结构有源层量子阱混晶组分的设

计和调整,掌握并实现了主波长260～330nm紫外LED结构材料的制备.

【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(051)001

【总页数】5页(P17-21)

【关键词】AlGaN;量子阱;欧姆接触;紫外LED

【作者】张彬彬;李书平;李金钗;蔡端俊;陈航洋;刘达艺;康俊勇

【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机

电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦

门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建

厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机

电工程学院,福建厦门361005

【正文语种】中文

【中图分类】O472

紫外LED具有光子能量高、波长短等特点，在高显色指数白光照明、高密度光学

数据存贮、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用［1－2］.近几年来，

系统深入地开展紫外LED研发成为人们关注的热点，国内外著名研究机构和相关

大公司均增大投入力度加强这一方面的研发［3－4］.虽然通过调节发光层AlGa

N材料的Al组分，人们可实现深紫外LED的制备.然而，与GaN基蓝光LED相

比，随着Al组分逐渐增大，AlGaN材料从外延生长到器件制作的难度也随之增大：

随着Al组分的增加，外延生长过程中难以有效地控制二维生长，容易导致薄膜缺

陷密度高、表面不平整、极性混杂等诸多问题［5］.其结构材料外延存在着AlN

基质层状生长困难、高质量量子阱难于形成、p型掺杂激活率低等瓶颈.而且，随

着Al组分的增加，Mg受主激活能呈线性增加［6］，导致室温下空穴浓度很低，

使得欧姆接触的制备变得非常困难，远无法满足制备紫外、深紫外光电子器件所需

的条件.

高Al组分AlGaN外延基片的制作是LED生产链中关键的环节，制备良好的

AlGaN结构材料直接影响着LED器件的发光性能.而高性能的光电器件需要高质量

的欧姆接触，半导体材料与金属欧姆接触质量的好坏，直接影响其电注入效率，进

而影响到半导体器件的性能.针对这些问题，本文开展了一系列研究工作，对AlGa

N基紫外LED结构材料的制备进行了优化.通过优化AlN薄膜外延工艺参数，采

用脉冲原子层外延技术制备出表面平整的AlN薄膜.在AlN复合基底上成功外延

质量优良的高组分AlGaN多量子阱，引进Mg和Si杂质δ共掺AlGaN超晶格p

型层结构提高p型层载流子浓度.并通过对退火条件的优化，成功制备了高Al组分

AlGaN的欧姆接触.基于优化后的各项工艺参数和设计的结构，制备出完整结构的

紫外发光二极管.通过对量子结构有源层设计和调整，掌握并实现了主波长260～

330nm紫外LED结构材料的制备.

本实验所用的样品，是采用金属有机物气相外延（MOVPE）技术（Thomas

Swan3×2-inchCCS）在c面蓝宝石衬底上外延生长的一系列高Al组分Al－Ga

N基外延片.生长过程中，以三甲基镓（TMG）、三甲基铝（TMA）作为III族源，

氨气（NH3）作为V族源，高纯氢气（H2）作为载气.首先为满足AlGaN量子

阱的结构和应力的要求，在蓝宝石衬底上进行AlN复合基底的生长，高质量的Al

N复合基底是高质量的AlGaN外延的重要基础，可以有效释放生长过程的应力，

获得较高质量的AlGaN外延片.AlGaN量子结构有源层分别采用二茂镁（Cp2Mg）

和高纯硅烷（SiH4）作为p型和n型的掺杂源，先在AlN复合基底上外延生长

1.25μm厚的n型Al0.5Ga0.5N，然后外延一层很薄的n型AlN作为空穴阻挡

层；随后生长5个周期的多层量子阱结构，由2nm的Al0.4Ga0.6N阱层和10

nm的Al0.5Ga0.5N垒层构成；最后引入p型AlN层作为电子阻挡层.在生长过

程中，我们采用了脉冲原子层外延技术［7］，通过调节TMA和NH3源的流率，

周期性交替生长，增强了AlN原子的表面迁移率，从而降低内部张应力，改善晶

体质量.Mg和Si杂质δ共掺AlGaN超晶格p型层生长于量子结构有源层之上，

其中界面处的生长采用中断TMG和TMA生长源，保持NH3气流，以期实现平

整的界面.最后，在超晶格结构上生长了一层2～3nm的p＋-GaN盖层，以便于

制作欧姆接触电极，其结构如图1所示.采用原位监控技术对于生长过程进行监测，

观察其生长情况，通过对其生长菜单进行分析，计算可得到n型和p型的掺杂浓

度约为1×1019和3×1018cm－3.为更好地观察其微观结构，采用了原子力显微

镜（AFMSeikoSPA400）对其表面形貌进行表征与分析.

通过对接触电极的工艺制备过程进行优化，来获得欧姆接触.其制备过程：1）清洗：

首先用有机溶剂（丙酮、乙醇）清洗材料表面，然后用王水浸泡，除去表面氧化层，

最后再用大量的等离子水冲洗，N2吹干.2）n型台面制作：采用标准光刻工艺

（KarlsussMA6／BA6）在外延片上形成图形，通过电感耦合等离子体（ICP）刻

蚀（OxfordICP180）获得AlGaN器件n型台面，刻蚀表面平整.3）n型电极制

作：采用电子束蒸发镀膜机（VPTCitation3000），在n型台面上淀积Ti（20

nm）／Al（200nm）／Ti（5nm）／Au（200nm）作为n型电极，然后在丙

酮中剥离，并依次使用乙醇、去离子水进行清洗，之后用N2吹干.蒸镀了电极的

样品，在快速退火炉（EaststarRTP300）中进行退火处理，并对退火温度、退火

时间等条件件进行优化.4）p型电极制作：先用浓盐酸去除样品表面的氧化层，然

后在p型GaN层上淀积Ni（20nm）／Au（20nm）作为p型电极，在丙酮中

剥离，并依次使用乙醇、去离子水进行清洗，之后用N2吹干.然后，采用快速退

火炉作退火处理，并对退火氛围、退火温度等条件进行优化.对不同退火条件下的

n型和p型电极，我们在常温下测试其退火前后的I-V特性，并进行比较.

一个完整结构的紫外LED，评估其性能优劣最为重要的特性是光学性质.我们基于

优化后的各项工艺参数和设计的结构，采用MOVPE技术生长了一系列表面光滑

的高Al组分AlGaN多量子阱紫外LED结构外延片，通过调整量子阱的结构来调

节发光波长的变化，经过电极制备、切割芯片、封装等工艺过程，制备了不同Al

组分的紫外LED功能材料，通过电致发光技术及荧光粉激发发光技术等对其性能

进行研究.

高Al组分AlGaN紫外发光材料生长温度高、压力大、制备工艺窗口小，难以在

平衡条件下生长出大面积、高质量的体材料.只能在较低温度和压力等非平衡条件

下，通过外延生长，在较大晶格失配的异质衬底上获得所需的结构材料.而非平衡

生长过程中，Al原子粘性系数大、预反应激烈，难于有效控制二维生长，导致薄

膜缺陷密度高、表面不平整、极性混杂、失配应力不能有效释放等诸多问题.为此

我们在AlN复合基底有效释放应力，同时采用脉冲原子层外延技术来进行AlGa

N材料的生长，以克服以上困难，得到质量较高的外延薄膜.由于AlGaN外延片是

在AlN复合基底外延而成的，因而其表面平整度直接影响了AlGaN材料的外延

质量，我们对AlN复合基底的平整度进行了分析.图2为在AlN复合基底上外延

而成的AlN薄膜激光干涉原位监控曲线，由图2可见，监控曲线振荡幅度大，在

厚度超过1000nm的情况下基本不随生长过程而衰减，振幅一致，表明AlN薄

膜表面平整度较好.即使在较厚薄膜的情况下，外延的AlN薄膜未发生开裂，保持

很好的平整度.XRD测试结果显示，其（0002）衍射峰半高宽小于0.056°，（1）

衍射峰半高宽约0.11°，表明外延生长的AlN薄膜中位错密度较低，具有较高的

晶体质量.为了更好地体现AlN薄膜的微观形貌，采用AFM技术对其进行表征分

析，结果如图3所示.AFM结果显示其表面光滑平整，平均粗糙度Ra为0.35nm，

表面可以观察到微小穿透位错线露头，而不是V形穿透位错缺陷，表明晶体质量

较好.对AlGaN材料而言，随着Al组分的增大，高质量的晶体质量更难以获得，

我们对不同Al组分AlGaN材料的外延片同样进行了AFM表征，其表面平均粗

糙度均在1nm以内，表面形貌质量较高.

为了得到n-AlGaN的最佳退火温度，我们将n型电极Ti／Al／Ti／Au在N2氛

围下不同退火温度下进行退火.在n型电极的制备过程中，需要通过刻蚀达到n区

域进行接触的制备，而刻蚀会引入一定的机械损伤.有研究表明，要获得较好的欧

姆接触，N2下超过650℃的退火才可以有效地消除ICP在n型GaN上引入的损

伤，减小反向漏电流，从而优化该器件的I-V特性［8］.而一般情况下AlGaN上

电极的退火温度会比GaN的稍微来得高一些，因此我们将样品置于高于650℃条

件下进行退火，分别为：750℃，90s；850℃，90s；950℃，90s.图4（a）为

退火前后得到的I-V曲线图.结果显示：未退火前，金属与半导体接触是明显的肖

特基接触，随着温度升高到750℃后，3种不同退火条件下金属与半导体都可以形

成欧姆接触，而且，850℃温度下退火形成的电极与n型衬底的欧姆特性最好，采

用计算机断层激光扫描（CTLM）测得其比接触电阻率为2.6×10－3Ω／cm2，这

说明已实现较好的其欧姆接触［9］.为了解处理后电极的性质，采用俄歇电子能谱

（AES）的元素深度剖析，测量了接触电极及其界面的化学成分分布.结果发现，

在半导体与金属界面处形成了功函数较小的TiAl金属合金，从而使界面处的势垒

层降低，形成欧姆接触.Gong等［10］研究Ti／Al／Ti／Au与n-AlGaN欧姆接

触退火效应时，通过X射线衍射方法，发现退火后界面处生成的TiAl金属合金是

形成欧姆接触的重要基础.通常获得欧姆接触的方式有隧道效应及势垒效应，本文

样品采用霍尔效应对其载流子浓度进行测试，n型和p型的载流子浓度均在1018

cm－3量级，不可能通过隧穿效应来实现欧姆接触，而是由退火合金化过程减小

势垒来实现的.由于退火过程中金属与半导体之间发生了互扩散，其界面处由金属、

半导体、合金等多体系结合而成，其表面状况比较复杂.根对这种情况，我们结合

第一性原理计算，采用VASP软件包进行了接触界面的模拟计算，计算结果显示

TiAl合金的形成会使得接触界面处的势垒高度由2.32eV减小为－0.88eV，可

以有效地减小接触界面的势垒高度.

接着我们对p型电极Ni／Au进行了退火工艺的优化，发现在空气氛围中的退火

结果比在纯氮气氛围下更容易获得欧姆接触.这也是我们采用在高Al组分p-

AlGaN材料淀积薄层p＋-GaN进行欧姆接触制备的一个原因.由于高Al组分p-

AlGaN材料具有高氧化性，容易吸附空气中的氧使得金属与半导体间的接触势垒

增大，而p型接触又必须在富氧情况下才可以更好地形成欧姆接触，因此为了减

小氧化层的影响，我们没有直接在p-AlGaN材料上进行电极制备，而是淀积了薄

层p＋-GaN进行电极制备.图4（b）是p型电极Ni／Au，在空气氛围中退火前

以及分别在350℃，10min；450℃，10min；550℃，10min温度下退火得到

的I-V曲线图.结果显示：未退火前，其I-V体现整流特性，450℃温度下金属与半

导体可以形成欧姆接触，但是随着温度升高，金属与半导体间的接触性能变差.从

金属表面形貌来看，可以看到当退火温度达到550℃后，金属电极表面颜色明显

变淡，有研究表明，当退火温度达到一定温度后，金属表面电极会被破坏，从而使

欧姆接触性能变差［11］.

基于优化后的各项工艺参数和设计的结构，采用MOVPE技术生长了一系列表面

光滑的高Al组分AlGaN多量子阱LED结构外延片，通过调整量子阱结构中的Al

组分来调节发光波长的变化.图5所示是室温下测得的电致发光发光谱图.通过调节

Al组分，可以分别得到主波长为259，275，285，300，315，330nm的LED

结构材料，其对应的Al组分相应为：0.5，0.4，0.35，0.25，0.2，0.15，实现了

不同波长深紫外LED结构材料的制备.并且可以发现，随着Al组分的增加，发光

波长逐渐递减，在相同发光强度情况下，其半高宽呈现了逐渐递减的趋势.其中波

长为259nm的LED结构材料，其半高宽约为11.3nm，与未优化前的LED相比

显著减小，体现了比较高的外延质量，可见上述的外延生长以及欧姆接触的优化对

其LED结构材料的性能起到了促进作用.为了更好地体现LED结构材料的优良性能，

我们用制得的紫外LED来分别激发蓝光、绿光和红光荧光粉，能清楚地观察到电

致发光荧光效果，如图6所示.在以往的实验过程中，采用普通的蓝光LED，其激

发荧光粉的效果较弱.而通过制备紫外LED来激发荧光粉，由图6的效果图，可以

看到，其亮度均匀，探针所指区域亮度很高，有类似白光的效果，发光效果优良.

我们通过对高Al组分AlGaN基外延生长结构的优化，引进脉冲原子层外延技术，

成功制备了表面粗糙度＜1nm的优良的高Al组分AlGaN基LED外延片.通过对

其欧姆接触退火温度等条件的优化，发现合适的退火条件能使AlGaN与电极之间

形成良好的欧姆接触，从而优化器件的I-V特性.基于优化后的各项工艺参数，通

过调整量子阱结构中的Al组分，成功制备了主波长260～330nm紫外LED结构

材料.

【相关文献】

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