GaN基LED中Ag/ITO復合膜的光電性能研究

喻 斌，王玉霞

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022)

0 引言

ITO有比較高的導電性以及在可見光范圍內的高透過率，所以它被廣泛的應用于LED作為P-GaN的透明電極提高外量子效率。但是，由于很難形成高摻雜濃度的P-GaN(＞1018cm-3)以及P-GaN本身具有很高的功函數(～7.5 eV)，P-GaN很難與ITO形成高質量的歐姆接觸，接觸電阻始終很難低于10-4Ω·cm2。因此作為固態照明應用的高功率GaN-LED來說，較低的接觸電阻和高可靠性的P型歐姆接觸是關鍵。退火是最常用的減小歐姆接觸電阻的方式，但是方塊電阻會隨著退火溫度和時間的增加而變大。增大的方塊電阻會明顯的阻礙電流的擴展形成電流擁塞現象降低大功率;LED的外量子效率。為了提高外量子效率，需要同時減小P型透明電極的接觸電阻以及方塊電阻。因此像Ni/ITO，ZnNi/ITO等很多種金屬摻雜的ITO薄膜已經被研究，Ni/ITO透明電極與P型GaN可以形成～8×10-4Ωcm2的接觸電阻和在450-550nm超過80%的透過率。ZnNi/ITO多層膜與P型GaN接觸時可以得到f～1.27×10-4Ωcm2的接觸電阻和在460nm波長超過90%的透過率。June-O Song報道Ag/ITO具有更加優異的性能，其中在460nm的透過率超過90%，與P-GaN的接觸電阻為1.2×10-4Ω cm2，但是Ag/ITO的方塊電阻并未研究。

本論文的主要目的是為了制備出有較低的方塊電阻和接觸電阻以及較高的透射率，通過改變Ag插入層的厚度、退火溫度以及退火時間，研究Ag/ITO的光電性能及變化規律。用分光光度計測量透射率，用半導體參數測試儀測試方塊電阻和接觸電阻。實驗結果顯示，當Ag(0.5nm)/ITO膜在600℃的壓縮空氣中退火10分鐘后，它在455nm的透過率超過90%，與P型GaN的接觸電阻為～1.386×10-4Ω·cm2方塊電阻～11Ω/sq。

1 實驗

采用雙面拋光的藍寶石和GaN-LED外延片作為襯底片。用磁控濺射的方式分別將0.5、2、4nm厚的Ag沉積在藍寶石襯底上，再將260nm厚的ITO(In2O3:SnO2=9:1)膜用電子束熱蒸發的方式沉積在Ag層上，最后將Ag/ITO膜在退火爐中退火，退火溫度從400℃至600℃間隔50℃，退火時間從1分鐘至22分鐘間隔3分鐘。用分光光度計測量透射率，用半導體參數測量儀測量方塊電阻和I-V曲線，用同樣的方式將Ag/ITO膜沉積在1.5μm厚的P型GaN外延層上(5×1017cm-3)，然后進行同樣的退火工藝，在退火后的Ag/ITO膜上光刻出圓形傳輸線圖形，其中內圓半徑為80μm，外圓與內環半徑之差從9μm至34μm，最后用半導體參數測試儀測量出I-V曲線，用圓形傳輸線模型公式計算出接觸電阻。

2 結果和討論

2.1 透過率

圖1(a)顯示Ag(0.5nm)/ITO(260nm)膜經過400℃到600℃和1分鐘到22分鐘的退火后在455nm波長的透過率，結果顯示當退火溫度在400℃、450℃和500℃的時候，Ag/ITO的透射率始終低于78%，當Ag/ITO在550℃和600℃的溫度下退火22分鐘時，透過率分別為87%和91%。圖1(b)顯示Ag(2nm)/ITO(260nm)膜經過400℃到600℃和1分鐘到22分鐘的退火后在455nm波長的透過率，結果顯示當退火溫度低于550℃時，其透過率低于74%，當退火溫度達到550℃和600℃時透過率明顯增大。圖1(c)顯示Ag(4nm)/ITO(260nm)膜經過400℃到600℃和1分鐘到22分鐘的退火后在455nm波長的透過率。從圖1(a-c)中我們能夠看出Ag的厚度對Ag/ITO的透過率有顯著地影響，Ag的厚度從4nm減小到0.5nm，相應的最佳透過率從74%增加至90%。同一厚度的Ag/ITO膜的透過率隨著退火溫度和退火時間的增加而增大。導致這種透射規律的原因可能是退火增加時ITO更加容易再結晶形成穩定的化學結構以及ITO的氧化。而且增加的退火溫度會使Ag層氧化形成Ag納米顆粒矩陣從而增大Ag/ITO膜的透過率。

圖1 不同厚度Ag的Ag/ITO膜在400℃ 到600℃的溫度中退火1至22分鐘后在455nm 波長的透過率，(a)Ag(0.5 nm)/ITO(260 nm)、(b)Ag(2 nm)/ITO(260 nm)、(c)Ag(4 nm)/ITO(260 nm)

圖2 不同厚度Ag的Ag/ITO膜在400℃ 到600℃的溫度中退火1至22分鐘后的方塊電阻，(a)Ag(0.5 nm)/ITO(260 nm)、(b)Ag(2 nm)/ITO(260 nm)、(c)Ag(4 nm)/ITO(260 nm)

2.2 方塊電阻

圖2(a-c)顯示不同厚度的Ag的Ag/ITO膜經過400℃到600℃和1分鐘到22分鐘的退火后的方塊電阻，從圖2(a)可以看出退火溫度低于550℃時Ag(0.5nm)/ITO的方塊電阻從7Ω/sq緩慢增加到8Ω/sq，當在600℃下退火10分鐘后其方塊電阻從7Ω/sq增大到11Ω/sq，在600℃下退火22分鐘后方塊電阻達到16Ω/sq，但是仍然比ITO在500℃的方塊電阻(20Ω/sq)要小。從圖2(b-c)能夠看出Ag(2nm)/ITO和Ag(4nm)/ITO膜在退火溫度低于550℃時，隨著退火溫度和時間的增加方塊電阻在7Ω/sq和10Ω/sq之間。不同膜厚的Ag/ITO在退火溫度低于550℃時方塊電阻都很低，可能是因為少量的Ag被氧化以及Ag受熱在Ag/ITO膜中形成納米顆粒。在退火溫度600℃時Ag/ITO中的Ag大量氧化生成Ag的氧化物阻礙了電子的傳輸，進而導致方塊電阻的快速增加，但是精確地原因還需要進一步的研究。

2.3 接觸電阻

不同Ag厚度的Ag/ITO在600℃下退后10分鐘厚與P型GaN接觸測得的I-V曲線圖如圖3所示，由圖3能看出Ag(0.5nm)/ITO(260nm)取得最好的歐姆接觸特性，不同厚度Ag的Ag/ITO在不同溫度下退火10分鐘時分別的接觸電阻值如表1所示。接觸電阻用CTLM(圓形傳輸線)模型測量［12］。從表中能看出Ag(0.5nm)/ITO膜的退火溫度從400℃向600℃逐漸增加時，其接觸電阻從1.386×10-4Ωcm2減小到1.564×10-5Ωcm2。Ag(0.5nm)/ITO膜與P-GaN的接觸電阻比已經報道的ITO與P-GaN的接觸電阻要小很多［5，6］。可能的原因是在ITO/GaN的使GaN的表面處產生Ga空穴。這種GaN表面高濃度的Ga空穴增加了表面的載流子濃度進而減小了Ag/ITO與P-GaN的接觸電阻。

表1 不同厚度Ag的Ag/ITO膜不同退火溫度退火10分鐘后與P-GaN間的接觸電阻值面處產生Ag納米點，而高溫使Ga擴散到Ag納米點中形成Ag-Ga固溶體

圖3 Ag(0.5，2，4 nm)/ITO膜在600℃退火10分鐘I－V曲線圖

3 結語

試驗通過改變Ag/ITO中Ag的厚度、退火溫度和退火時間，研究Ag/ITO的光電性能。從結果中能看出透過率隨著退火溫度和退火時間的增加迅速增大，卻隨著Ag厚度的增加而減小。將Ag(0.5nm)/ITO(260nm)膜在600℃條件下通入壓縮空氣退火10分鐘，其在455nm波長的透過率達到90%。Ag/ITO的這種隨退火溫度和時間變化的規律和ITO膜的變化規律相似。當退火溫度低于550℃時，由于Ag的少量氧化和Ag納米顆粒的形成，隨著退火溫度和時間的增加Ag/ITO膜的方塊電阻從7Ω/sq至10Ω/sq緩慢上升。摻Ag的多層膜Ag/ITO與P-GaN的接觸電阻比ITO與P-GaN的接觸電阻要低很多，Ag(0.5nm)/ITO(260nm)膜在600℃的壓縮空氣中退火10分鐘，其在455nm波長的透過率達到90%，方塊電阻約為11Ω/sq，接觸電阻為1.386×10-4Ω·cm2。這樣光電性能優良的Ag/ITO膜可以有效的改善與P-GaN的接觸性能提高外量子效率，其作為P型透明電極應用于大功率LED有廣闊的前景。

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