氮化镓注镁(Mg:GaN)的光致发光*
摘要：利用低压MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长了GaN，用离子注入法掺入Mg杂质，退火后，进行光致发光测量，观察到显著的蓝光发射和黄带发射.光谱分析给出了与注入Mg离子相关的GaN禁带中能级的精细结构，其中：间位Mg(Mgi)能级(导带下170meV)到替位Mg(MgGa)受主能级(价带上250meV)的跃迁产生了415nm发光峰；该能级到价带上390meV能级的跃迁，以及带有紧邻N空位的替位Mg(MgGaVN)能级(导带下310meV)到MgGa受主能级的跃迁，均产生了438nm发光峰.另外，退火使GaN晶格结构部分恢复，再现了黄带发射.
关键词：氮化镓；掺杂；离子注入；光致发光；高斯拟合
fgw1引言
近年来，宽带隙半导体材料GaN在光电器件研
究方面倍受重视.它是一种直接带隙的半导体材料，室温下禁带宽度为3.4eV，由载流子的带间跃迁产
生的辐射波长很短，在近紫外波段.对其掺杂后可得到位于禁带中的发光中心，使发光波长移至可见区域.尤其是在蓝光材料方面,GaN及其相关材料具
有得天独厚的优势，这也是目前GaN及其相关材料
应用最广泛的领域.
由于多种原因,p型GaN掺杂水平一直不高,
严重阻碍了GaN基器件的发展[1].Be、Mg、Zn、C等多种p型化杂质都曾被研究过[2]，而目前以Mg使
用最广泛，它不仅用作p型GaN掺杂，还可以作为
辐射复合中心，产生蓝光发射.MOCVD和MBE是
当前国际上生长掺MgGaN的两种重要方法.但
是，在MOCVD生长中，由于H对Mg的钝化，直接
生长的掺MgGaN往往都是高阻的[3]，即使掺入
Mg的浓度高达1019～1020cm-3，电阻率仍然高达
108䬸・cm，而且光致发光性质也不好，必须经过再
处理才能将Mg激活.在氮气气氛中快速热退火是近年来广泛采用的激活方法[4,5].掺MgGaN的光
致发光性质与其晶体质量、掺Mg浓度、生长和退火条件等多种因素有关.一般，当掺Mg浓度较低时,
PL谱峰多位于390nm附近且伴有声子伴线的出
现[6]；而掺Mg浓度较高时,PL谱峰多位于440nm
附近，峰形较宽[6～9].随着激发光源强度的改变，这两个峰的位置也发生偏移.重掺杂时,PL谱峰位随Mg浓度增加明显红移，甚至可达绿光区，峰形也变
得更宽.此外,Mg掺杂还可以引入某些缺陷能
级[10]，对PL谱产生重要影响.
我们利用MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长
了GaN，离子注入掺Mg后，再高温退火，进行光致
发光研究.通过对光谱做高斯拟合，我们发现样品的光致发光谱可以分解成415、438、550和561nm峰的叠加.
2实验
GaN生长采用低压MOCVD，三甲基镓(TMG)作为镓源，高纯氨气作为氮源，氢气经纯化
后作为载气，生长室压力保持在104Pa[11].生长前,
蓝宝石衬底先后在丙酮和酒精中超声清洗，用去离
子水冲洗后，放到浓硫酸和浓磷酸的混合液中(H2SO4∶H3PO4=3∶1)，在160℃下煮10min，最后用去离子水冲洗干净，装入反应室.生长时，首先通氢气在高温下预处理，除去衬底表面的吸附物；然后，在250℃和550℃下分别生长低温缓冲层和高温缓冲层，厚度大约为25nm；最后升温到1000℃，生
长GaN外延层，外延层厚度约1 m，样品表面光亮，无色透明.
生长结束后，对样品进行离子注入掺Mg,
24Mg+离子束的剂量和能量分别为5×1014cm-2和
360keV.然后，将该注MgGaN样品置于氮气气氛
中，在700℃下退火20min.用EG&GFluoroMax-2
光谱仪测量样品的室温光致发光谱(PL谱)，光源为氙灯，选定330nm线作为激发源.
3结果与讨论
图1是注MgGaN样品退火前后的室温PL
传神翻译
谱.由图可见，退火前谱线平坦，基本没有光致发光信号.退火后，样品蓝光发射很明显，同时，在黄光区域出现一个很宽的包络和一个中心位于563nm附近的陡峭的峰.
图1注MgGaN样品退火前后的PL谱
Fig.1PLspectraofas-implantedandan-
nealedMg-implantedGaN
图2是退火后样品室温PL谱的高斯拟合.其中，粗实线是实际测量的光致发光谱，点线是高斯拟合的结果，细实线是高斯拟合的四个峰，中心分别位于415、438、550和563nm.
图3是415、438和563nm峰的PLE谱.如图
中箭头所示,415nm峰的激发谱中，存在一个以
图2注MgGaN样品退火后的PL谱及高斯拟合
Fig.2PLspectraandGaussianfitofannealed
Mg-implantedGaN
384nm为中心的下降沿，相应光子的能量为
3.22eV，而室温下GaN禁带宽度为3.39eV，所以415nm峰可能对应于位于导带下170meV的能级(以下简称为能级1)到禁带中某个能级的跃迁.计算表明，该禁带中的能级位于价带上约240meV处，这与目前报道的位于价带上250meV的Mg受主能级(以下简称为能级4)非常接近，能级图如图4所示.有研究表明能级1可能来源于间位Mg (Mgi)[12].
图3注MgGaN样品退火后的PLE谱
Fig.3PLEspectraofannealedMg-im-
plantedGaN
在438nm峰的激发谱中，也存在一个下降沿.但是，与415nm峰不同的是，在392nm附近,438nm
峰的激发谱存在一个明显的折线，这表明该发光峰
suggestion图4与注Mg相关的能级的精细结构图
Fig.4Structureofdoping-relatedenergylevels
不是来源于单一的跃迁机制.在该折线左右两侧，有两个分别以384和402nm为中心的下降沿，相应光
子的能量分别为3.22和3.08eV.对于前者，导致
438nm发光峰的是能级1到价带上390meV能级(以下简称为能级3)的跃迁；而对于后者，导致
438nm发光峰的是导带下310meV能级(以下简称北京联大应用文理学院
为能级2)到能级4的跃迁.有研究结果表明：能级2
可能来源于带有紧邻氮空位的替位式Mg(MgGa-VN)，相应的受主是空间上与其分离的孤立的MgGa[13].Go¨tz等人[14]曾经利用DLTS在n+-p结器件中也发现了能级3，但该能级起因目前尚未见报道.
此外，在563nm峰的激发谱中，也明显存在一
个以365nm为中心的下降沿，这恰好也是GaN带
边发射的波长，这表明相应于563nm峰的是导带底到禁带中某个深能级的跃迁.这个尖锐的563nm峰叠加在宽阔的550nm包络上，形成了在未故意掺杂GaN中常见的黄带发射.Chi等人曾研究过扩散掺MgGaN的光致发光性质，也发现了中心位于
550nm、半高宽约100nm的黄带发射，与未故意掺杂GaN的黄带发射非常相似.注意到扩散法掺杂和离子注入法掺杂是很不一样的：扩散法不会破坏晶格，只是在晶格间隙中引入了许多间位杂质离子；而离子注入则会导致原来完整的晶格遭到破坏，丧失与晶格周期性有关的性质，如图1所示，注MgGaN
样品在退火前几乎没有任何发光信号，就是一个很好的证明.退火使GaN晶格结构部分恢复[15,16]，因此再现了黄带发射.
4结论
退火后，注MgGaN样品产生了显著的蓝光发
射和黄带发射.光谱分析给出了与注入Mg离子相关的GaN禁带中的能级的精细结构.其中，间位
Mg杂质(Mgi)能级(导带下170meV)到替位Mg (MgGa)受主能级(价带上250meV)的跃迁产生了415nm发光峰；该能级到价带上390meV能级的跃迁，以及带有紧邻N空位的替位Mg(MgGaVN)能级(导带下310meV)到MgGa受主能级的跃迁，均产生了438nm发光峰.另外，退火使GaN晶格结构部分
恢复，因此再现了黄带发射.
致谢本实验的光致发光谱测量得到了南京大学物理系陈晖的热情帮助，在此谨表谢意.
参考文献
[1]XieShiyong,ZhengYoudou,ChenPeng,etal.p-typedoping
ofGaN.Rearch&ProgressofSSE,2001,21(2):204(inChi-
ne)[谢世勇，郑有火斗，陈鹏，等.GaN材料p型掺杂.固体电
子学研究与进展,2001,21(2):204]
老爸老妈浪漫史[2]PankoveJI,HutchbyJA.JApplPhys,1976,47(12):5387
[3]PeartonSJ,LeeJW,YuanC.ApplPhysLett,1996,68(19):
2690
[4]NakamuraS,MukaiT,SenohM,etal.JpnJApplPhys,
1992,31(2B):L139
[5]LiuXianglin,WangChengxin,HanPeide,etal.GrowthofP-
typeGaNandAlGaNepitaxialfilms.HighTechnologyLet-
ters,2000,8:26(inChine)[刘祥林，王成新，韩培德，等.P
型GaN和AlGaN外延材料的制备.高技术通讯,2000,8:26] [6]LiShuti,WangLi,PengXuexin,etal.DopingMgdoin
MOCVDgrowthofP-GaNfilms.ChineJournalofSemi-
conductors,2000,21:365(inChine)[李述体，王立，彭学新,
等.MOCVD生长P型GaN的掺杂Mg量的研究.半导体学三的英文
报,2000,21:365]
[7]MaoXiangjun,YangZhijian,JingSixuan,etal.PLcharacter-
isticsofrapidlyannealedMg:GaN.ChineJournalofSemi-
conductors,1999,20:857(inChine)[毛祥军，杨志坚，金泗
轩，等.快速退火Mg:GaN的光致发光研究.半导体学报,
1999,20:857]
恋爱假期下载
[8]EckeyL,VonGfugU,HolstJ,etal.JCrystGrowth,1998,
189/190:523
[9]OhE,ParkM,KangS,etal.JCrystGrowth,1998,189/190:
詹姆斯布朗特537
[10]HackeP,NakayamaH,etal.ApplPhysLett,1996,68:1362
[11]ZhouYugang,ShenBo,ChenZhizhong,etal.GrowthofGaN
filmsusinglightradiationheatingmetalchemicalvapordepo-
商务英语口译
sition.ChineJournalofSemiconductors,1999,20(2):147
(inChine)[周玉刚，沈波，陈志忠，等.光加热金属有机物化
学气相淀积生长氮化镓.半导体学报,1999,20(2):147] [12]SmithM,ChenGD,LinJY,etal.ApplPhysLett,1996,68:
1883
[13]KaufmannU,KunzerM,MaierM,etal.ApplPhysLett,
1998,72:1326
[14]Go¨tzW,JohnsonNM,BourDP.ApplPhysLett,1996,68
(24):3470
myyearbook[15]PongBJ,PanCJ,TengYC,etal.JApplPhys,1998,83
(11):5992[16]YaoDongmin,XinDong,WangLi,etal.Rutherford
backscatteringandchanneling,doublecrystalX-raydiffrac-
tionandphotoluminescenceofGaN.ChineJournalofSemi-
conductors,2000,21:437(inChine)[姚冬敏，辛东，王立,
