利用ICP進行In摻雜對GaN基LED材料性能的影響

曾勇平,張保平,應磊瑩（廈門大學電子工程系,福建廈門361005）

利用ICP進行In摻雜對GaN基LED材料性能的影響

曾勇平,張保平,應磊瑩
（廈門大學電子工程系,福建廈門361005）

本文主要介紹一種新型的改善GaN材料p型歐姆接觸特性的方法，即采用電子束蒸發技術在InGaN層上沉積一層ITO薄膜，然后通過感應耦合等離子體技術（ICP）對ITO進行轟擊。通過XPS測試分析可知，ICP轟擊ITO過程中，ITO中的In原子擴散至p-GaN層。通過在p-GaN上方制作歐姆接觸并進行I-V測試，結果表明In摻雜后樣品p型歐姆接觸特性得到改善。

GaN；p型歐姆接觸；ICP；XPS

1　引言

p型摻雜一直以來都是制約GaN基器件進一步發展的主要因素之一。目前，熱退火仍是提高p型GaN空穴濃度的方法。熱退火主要包括低溫O2退火和高溫N2退火。利用高溫激活Mg受主，從而提高空穴濃度[1]。但是，高溫退火存在一些缺點：KusakbeK等人報道在1000oC退火，晶格應力嚴重影響了InGaN多量子阱的結構和光學特性[2]；Hayes等人報道在較高的溫度退火，在GaN層產生壓應力，也將影響p-GaN的電學特性[3]。因此，Kumakura等人提出了不同于退火的方法來提高p-GaN的空穴濃度，即在p-GaN中摻入適量In，從而降低Mg的激活能，達到提高空穴濃度的目的[4]。此外，Zhang等人在p-AlxGa1-xN材料生長過程中引入In作為表面活性劑減少了材料中的點缺陷，并與Mg形成A-D-A結構的復合物（共摻雜，等效于一個受主），降低了受主激活能，電導率顯著提高[5]。Liu等人提出在p-GaN中摻入P，提高了Mg的活性，使得空穴濃度得到了提高[6]。從上述報道中，我們可以得出，三族元素的摻入有利于提高p-GaN空穴濃度，改善樣品歐姆接觸特性。本文通過利用ICP技術對p-GaN層進行In摻雜，對p-GaN電學特性進行測試分析。

2　實驗

采用電子束蒸發技術在InGaN層上沉積一層ITO(130nm)膜作為In的來源，沉積完后在感應耦合等離子體（inductivelycoupledplasma，ICP）刻蝕設備中采用Cl2/He氣體對表層ITO進行轟擊，如圖3-1所示。其中圖1(a)為ICP轟擊ITO過程示意圖，圖1(b)為ITO轟擊完ITO樣品結構示意圖。利用XPS測試p-GaN表面元素分布，然后在p-GaN上方磁控濺射Ni/Au（10/50nm）金屬電極制作歐姆接觸，利用半導體參數測試系統對樣品p-GaN表面I-V特性進行測量。

3　結果與分析

3.1p-GaN表面元素濃度分布情況

圖2為In摻雜前后InGaN/p-GaN的元素濃度深度分布圖，其中內置圖為In原子的濃度深度分布圖。從圖中我們可以看出，經ICP轟擊ITO后，In原子與Ga原子濃度發生了變化。由于InGaN層厚度只有2nm，而如圖中所示，In原子已經擴散至3nm處，也就是說，ICP轟擊ITO過后，In原子已經擴散至p-GaN層，在InGaN表面，In原子濃度提高了約5倍，說明ICP摻雜效果較為明顯。另外，In摻雜前后Ga原子濃度也發生了變化。從圖中可以看出，In摻雜后，InGaN和p-GaNGa原子濃度有所下降。我們認為這是因為In原子和Ga原子之間的相互擴散導致。In原子從ITO層往InGaN/p-GaN進行擴散的同時，Ga原子也同樣從InGaN/p-GaN層往ITO方向擴散，In原子替代了原來Ga原子在InGaN和p-GaN中的位置[7]。

3.2In摻雜對p型歐姆接觸的影響

為了研究In摻雜對p型歐姆接觸的影響，我們在樣品表面制作Ni/Au電極以形成歐姆接觸。實驗采用美國Keithley公司的半導體參數測試系統對樣品p-GaN表面I-V特性進行測量。未經摻雜和經過In摻雜的樣品p-GaNI-V特性如圖3所示。圖中樣品as-grown為未經摻雜樣品，樣品ICPtreatmentsample為In摻雜樣品。我們可以看出，經過In摻雜的樣品p-GaN歐姆接觸特性較未經摻雜樣品歐姆接觸特性有所改善。經計算，In摻雜樣品的歐姆接觸電阻為4.35×103Ω，未摻雜樣品歐姆接觸電阻為7.086×103Ω，表明了In摻雜可以降低樣品p-GaN歐姆接觸電阻。通過對樣品InGaN/p-GaN表面的原子分布進行XPS測試得到，經過ICP進行In摻雜后，樣品InGaN/p-GaN表面In原子濃度得到了大幅提高。XPS測試結果表明，在ICP轟擊ITO過程中，ITO層中的In原子擴散至InGaN/p-GaN層，提高了p-GaN層的電學特性。根據Kumakura等人研究報告提出：在p-GaN中摻入適量In，可以降低Mg的激活能，達到提高空穴濃度的目的[8]。此外，Zhang等人在p-AlxGa1-xN材料生長過程中引入In作為表面活性劑減少了材料中的點缺陷，并與Mg形成A-D-A結構的復合物（共摻雜，等效于一個受主），降低了受主激活能，電導率顯著提高[9]。因此，摻In樣品p-GaN電學性能得到改善，是因為在ICP轟擊ITO過程中，ITO中的In擴散至p-GaN中，降低了Mg激活能，提高了空穴濃度，改善了p型歐姆接觸。

4　結論

利用ICP轟擊p-GaN上方ITO薄膜。XPS測試結果表明，ICP轟擊ITO過程中，部分In原子擴散至p-GaN。通過在p-GaN上方磁控濺射淀積Ni/Au金屬電極制作歐姆接觸并進行I-V測試，結果表明，In摻雜樣品p-GaN歐姆接觸特性得到改善，歐姆接觸電阻由7.086×103Ω降低至4.35×103Ω，證明了通過ICP轟擊ITO對p-GaN進行In摻雜方法是可行的。

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曾勇平（1989—），男，福建龍海人，廈門大學電子工程系，研究生，研究方向：寬禁帶半導體材料與光電子器件，微納米結構制造及應用。