刻蚀与退火对GaN欧姆接触的影响

使用干法刻蚀在GaN LED晶片上刻蚀n区,用电子束蒸发方法在n型GaN表面上淀积Ti/Al双金属层作为接触电极,在N2环境中进行退火.探讨不同的刻蚀方法和刻蚀条件及不同的退火条件对Ti/Al-n型GaN间欧姆接触的影响.     

TiAl3 和Ti/TiAl3 非合金化电极n型GaN欧姆接触的实现

在不进行合金化的情况下,首次直接采用TiAl3合金材料作为金属接触电极.在蓝宝石衬底上生长的n型载流子浓度为2×1018 cm-3的GaN上,成功地得到低接触电阻的欧姆接触,并由环形传输线模型方法测得比接触电阻率为3×10-5 Ω*cm2.与通常n型欧姆接触采用的Ti/Al双层结构比较,TiAl3合金结构更容易形成非合金化的n型欧姆接触.在此实验基础上,进一步分析了N空位和界面层处的TiAl3在形成非合金化或低温退火欧姆接触中发挥的作用,由此设计的Ti/TiAl3/Ni/Au接触结构,在TiAl3合金结构基础上明显地降低了接触电阻率.     

不同退火方式对Ni/SiC接触界面性质的影响

采用快速热退火(rapid thermal annealing, RTA)法和脉冲激光辐照退火(laser spark annealing, LSA)法, 在n型4H-SiC的Si面制备出Ni电极欧姆接触. 经传输线法测得RTA样品与LSA样品的比接触电阻分别为5.2×10^-4 Ω·cm², 1.8× 10^-4 Ω·cm². 使用扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱等表征手段, 比较了两种退火方式对电极表面形貌、电极/衬底截面形貌和元素成分分布、SiC衬底近表层碳团簇微结构的影响. 结果表明, 相比于RTA, LSA法制备出的欧姆接触在电极表面形貌、界面形貌、电极层组分均匀性等方面都具有明显优势, 有望使LSA成为一种非常有潜力的制备欧姆接触的退火处理方法.     

等离子体表面处理对硅衬底GaN基蓝光发光二极管内置n型欧姆接触的影响

硅衬底GaN基发光二极管(LED)的内置n型欧姆接触在晶圆键合时的高温过程中常常退化,严重影响LED的工作电压等器件性能.本文深入研究了内置n电极蒸镀前对n-GaN表面的等离子体处理工艺对硅衬底GaN基发光二极管n型欧姆接触特性的影响.实验结果表明,1.1 mm×1.1 mm的LED芯片在350 m A电流下,n-GaN表面未做等离子体处理时,n电极为高反射率Cr/Al的芯片正向电压为3.43 V,比n电极为Cr的芯片正向电压高0.28 V.n-GaN表面经O2等离子体表面处理后,Cr/Al和Cr电极芯片的正向电压均有所降低,但Cr/Al电极芯片的正向电压仍比Cr电极芯片高0.14 V.n-GaN表面经Ar等离子体处理后,Cr/Al电极芯片正向电压降至Cr电极芯片的正向电压,均为2.92 V.利用X射线光电子能谱对Ar等离子体处理前后的n-GaN表面进行分析发现,Ar等离子体处理增加了n-GaN表面的N空位(施主)浓度,更多的N空位可以提高n型欧姆接触的热稳定性,缓解晶圆键合的高温过程对n型欧姆接触特性的破坏.同时还发现,经过Ar等离子体处理并用HCl清洗后,n-GaN表面的O原子含量略有增加,但其存在形式由以介电材料GaO_x为主转变为导电材料GaO_xN_(1-x)和介电材料GaO_x含量相当的状态,这会使得接触电阻进一步降低.上述两方面的变化均有利于降低LED芯片的正向电压.     

高反射率p-GaN欧姆接触电极

根据光学薄膜原理计算了GaN/Ti/Ag、GaN/Al和GaN/Ni/Au/Ti/Ag、GaN/Ni/Au/Al多层电极结构的反射率,得出Ag基和Al基反射电极均能在全角范围内提供较高的反射率。实验测量结果表明,反射率能高于80%的Ag基反射电极,具有低欧姆接触的电学特性。并将GaN/Ni/Au/Ti/Ag多层反射电极应用在上下电极结构的GaN基LED中。实验上采用两步合金法获得了低接触电阻、高反射率的电极结构,并引入Ni/Au覆盖层克服了Ag高温时的团聚和氧化现象。解决了Ag电极的稳定性问题,显著地提高了LED的出光效率,成功制备了具有上下电极结构的GaN基LED管芯。     

金属与半导体Ge欧姆接触制备、性质及其机理分析

金属与Ge材料接触时界面处存在着强烈的费米钉扎效应, 尤其与n型Ge形成的欧姆接触的比接触电阻率高, 是制约Si基Ge器件性能的关键因素之一. 本文对比了分别采用金属Al和Ni 与Si衬底上外延生长的p型Ge和n型Ge材料的接触特性. 发现在相同的较高掺杂条件下, NiGe与n型Ge可形成良好的欧姆接触, 其比接触电阻率 较 Al接触降低了一个数量级, 掺P浓度为2×10¹⁹ cm^-3时达到1.43×10^-5 Ω·cm². NiGe与p型Ge接触和Al接触的比接触电阻率相当, 掺B浓度为4.2×10¹⁸ cm^-3时达到1.68×10^-5 Ω·cm². NiGe与n型Ge接触和Al电极相比较, 在形成NiGe过程中, P杂质在界面处的偏析是其接触电阻率降低的主要原因. 采用NiGe作为Ge的接触电极在目前是合适的选择. 关键词： 金属与Ge接触性质 NiGe 比接触电阻率     

牺牲Ni退火对硅衬底GaN基发光二极管p型接触影响的研究

本文通过在硅衬底发光二极管(LED)薄膜p-GaN表面蒸发不同厚度的Ni覆盖层,将其在N₂ ∶O₂=4 ∶1的气氛中、400℃—750℃的温度范围内进行退火,在去掉薄膜表面Ni覆盖层之后制备Pt/p-GaN欧姆接触层.实验结果表明:退火温度和Ni覆盖层厚度均对硅衬底GaN基LED薄膜p型欧姆接触有重要影响,Ni覆盖退火能够显著降低p型层中Mg受主的激活温度.经牺牲Ni退火后,p型比接触电阻率随退火温度的升高呈先变小后变大的规律,随Ni覆盖层厚度的增加呈先变小后变 关键词： 氮化镓 发光二极管 牺牲Ni退火 p型接触     

GaN基异质结缓冲层漏电分析

通过对GaN基异质结材料C-V特性中耗尽电容的比较,得出AlGaN/GaN异质结缓冲层漏电与成核层的关系.实验结果表明,基于蓝宝石衬底低温GaN成核层和SiC衬底高温AlN成核层的异质结材料比基于蓝宝石衬底低温AlN成核层异质结材料漏电小、背景载流子浓度低.深入分析发现,基于薄成核层的异质结材料在近衬底的GaN缓冲层中具有高浓度的n型GaN导电层,而基于厚成核层的异质结材料的GaN缓冲层则呈高阻特性.GaN缓冲层中的n型导电层是导致器件漏电主要因素之一,适当提高成核层的质量和厚度可有效降低GaN缓冲层的背景载流子浓度,提高GaN缓冲层的高阻特性,抑制缓冲层漏电. 关键词： AlGaN/GaN异质结 GaN缓冲层 漏电 成核层     

光增强湿法刻蚀提高Si衬底垂直结构GaN基LED的出光效率

以0.1 MK2S2O8+KOH和氙灯分别作为刻蚀剂和紫外光源,采用光增强湿法刻蚀转移衬底的垂直结构GaN基LED的n型GaN,对N面有电极和没有电极的芯片的n型GaN层进行刻蚀.结果表明,在相同的刻蚀条件下,N面有电极的n型GaN层刻蚀速率明显大于没有电极的n型GaN;而它们的均方根粗糙度(RMS)则结果相反.刻蚀后的形貌呈圆锥型凸起.20 mA下刻蚀后的裸芯光输出功率较刻蚀前提高了88.5%.     

利用MOCVD在r面蓝宝石上生长的α面GaN中两步AlN缓冲层的优化

采用两步AlN缓冲层(一层低温AlN和一层高温AlN)在r面蓝宝石衬底上生长了非极性的α面GaN,并利用高分辨X射线衍射和光致荧光谱对所生长的材料进行了研究.两步AIN缓冲层在我们之前的工作中已被证明比单步高温AlN或低温GaN缓冲层更有利于减小材料各向异性和提高晶体质量,本文进一步优化了两步AlN缓冲层的结构,并得到了各向异性更小,晶体质量更好的α面GaN薄膜.分析表明,两步AlN缓冲层中的低温AlN层在减小各向异性中起着关键作用.低温AlN层能抑制了优势方向(c轴)的原子迁移,有利于劣势方向(m轴)的原子迁移,从而减小了Al原子在不同方向迁移能力的差异,并为其后的高温AlN缓冲层和GaN层提供"生长模板",以得到各向异性更小、晶体质量更好的α面GaN材料.     

Low-resistance Cr/Al Ohmic contacts to N-polar n-type GaN for high-performance vertical light-emitting diodes

We investigated the electrical properties of Cr(30 nm)/Al(200 nm) contacts to N-polar n-type GaN for high-performance vertical light-emitting diodes and compare them with those of Ti(30 nm)/Al(200 nm) contacts. Before annealing, both the samples show ohmic behaviors with a contact resistivity of 1.9-2.3 × 10⁻⁴ Ωcm². Upon annealing at 250 °C for 1 min in N₂ ambient, the Ti/Al contacts become non-ohmic, while the Cr/Al contacts remain ohmic with a contact resistivity of 1.4 × 10⁻³ Ωcm². Based on X-ray photoemission spectroscopy and secondary ion mass spectrometry results, ohmic formation and degradation mechanisms are briefly described and discussed.     

刻蚀AlN缓冲层对硅衬底N极性n-GaN表面粗化的影响

研究了等离子体刻蚀AlN缓冲层对硅衬底N极性n-GaN表面粗化行为的影响. 实验结果表明, 表面AlN缓冲层的状态对N极性n-GaN的粗化行为影响很大, 采用等离子体刻蚀去除一部分表面AlN缓冲层即可以有效提高N极性n-GaN在KOH溶液中的粗化效果, AlN缓冲层未经任何刻蚀处理的样品粗化速度过慢, 被刻蚀完全去除AlN缓冲层的样品容易出现粗化过头的现象. 经X射线光电子能谱分析可知, 等离子体刻蚀能够提高样品表面AlN缓冲层Al 2p的电子结合能, 使得样品表面费米能级向导带底靠近, 原子含量测试表明样品表面产生了大量的N空位, N空位提供电子, 使得材料表面费米能级升高, 这降低了KOH溶液和样品表面之间的肖特基势垒, 从而有利于表面粗化的进行. 通过等离子体刻蚀掉表面部分AlN缓冲层, 改善了N极性n-GaN在KOH溶液中的粗化效果, 明显提升了对应发光二级管器件的出光功率.     

High-Temperature Characteristics of Ti/Al/Ni/Au Ohmic Contacts to n-GaN

We present the high-temperature characteristics of Ti/Al/Ni/Au（15 nm/220 nm/40 nm/50 nm） multiplayer contacts to n-type GaN （Nd = 3.7 × 10^17 cm^-3, Nd = 3.0 × 10^18 cm^-3）. The contact resistivity increases with the measurement temperature. Furthermore, the increasing tendency is related to doping concentration. The higher the doped, the slower the contact resistivity with decreasing measurement temperature. Ti/Al/Ni/Au ohmic contact to heavy doping n-GaN takes on better high temperature reliability. According to the analyses of XRD and AES for the n-GaN/Ti/Al/Ni/Au, the Au atoms permeate through the Ni layer which is not thick enough into the AI layer even the Ti layer.     

Thermal stability of Ti/Al/Pt/Au and Ti/Au Ohmic contacts on n-type ZnCdO

The specific contact resistivity and chemical intermixing of Ti/Au and Ti/Al/Pt/Au Ohmic contacts on n-type Zn_0.05Cd_0.95O layers grown on ZnO buffer layers on GaN/sapphire templates is reported as a function of annealing temperature in the range 200-600 °C. A minimum contact resistivity of 2.3 × 10⁻⁴ Ω cm² was obtained at 500 °C for Ti/Al/Pt/Au and 1.6 × 10⁻⁴ Ω cm² was obtained at 450 °C for Ti/Al. These values also correspond to the minima in transfer resistance for the contacts. The Ti/Al/Pt/Au contacts show far smoother morphologies after annealing even at 600 °C, whereas the Ti/Au contacts show a reacted appearance after 350 °C anneals. In the former case, Pt and Al outdiffusion is significant at 450 °C, whereas in the latter case the onset of Ti and Zn outdiffusion is evident at the same temperature. The improvement in contact resistance with annealing is suggested to occur through formation of TiO_x phases that induce oxygen vacancies in the ZnCdO.     

Low resistance nonalloyed Al-based ohmic contacts on n-ZnO:Al

We have investigated the electrical properties of nonalloyed Al, Al/Au, and Al/Pt ohmic contacts on n-type ZnO:Al (2×10¹⁸ cm⁻³). All Al-based nonalloyed ohmic contacts on the n-ZnO:Al reveal linear current–voltage behavior with low specific contact resistivity of 8.5×10⁻⁴ (Al), 8.0×10⁻⁵ (Al/Au) and 1.2×10⁻⁵ Ω cm² (Al/Pt), respectively. Using secondary ion mass spectroscopy (SIMS) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) depth profiles, it was found that the O atoms in the ZnO:Al layer outdiffused to Al metal layer while the Al atoms indiffused to the surface region of ZnO:Al. This interdiffusion between Al and O atoms at room temperature results in an increase of doping concentration in the surface region of the ZnO:Al and reduces a specific contact resistivity of the Al-based ohmic contacts without thermal annealing process.     

图形硅衬底GaN基发光二极管薄膜去除衬底及AlN缓冲层后单个图形内微区发光及 应力变化的研究

研究了图形硅衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜、去除硅衬底后的无损自由状态LED薄膜以及去除氮化铝(AlN)缓冲层后的自由状态LED薄膜单个图形内的微区光致发光(PL)性能, 用荧光显微镜与扫描电镜观测了去除AlN缓冲层前后LED薄膜断面弯曲状况的变化. 研究结果表明: 1)去除硅衬底后, 自由支撑的LED薄膜朝衬底方向呈柱面弯曲状态, 且相邻图形的柱面弯曲方向不一致, 当进一步去除AlN缓冲层后薄膜会由弯曲变为平整; 2)LED薄膜在去除硅衬底前后同一图形内不同位置的PL谱具有显著差异, 而当去除AlN缓冲层后不同位置的PL谱会基本趋于一致; LED薄膜每一位置的PL 谱在去除硅衬底后均出现明显红移, 进一步去除AlN缓冲层后PL谱出现程度不一的微小蓝移; 3)自由支撑的LED薄膜去除AlN缓冲层后, PL光强随激光激发密度变化的线性关系增强, 光衰减得到改善.     

Oblique-angle sputtered AlN nanocolumnar layer as a buffer layer in GaN-based LED

This work presents an aluminum nitride (AlN) nanocolumnar layer sputtered at various oblique angles and its application as a buffer layer for GaN-based light-emitting diodes (LEDs) that are fabricated on sapphire substrates. The OA-AlN nanocolumnar layer has a diameter of about 30-60 nm. The GaN-based LED structure is perpendicularly extended from the OA-AlN nanocolumnar layer. Then, the nanocolumnar structure is merged into p-GaN layer to form a mesa structure with a diameter of about 200-600 nm on the surface of the GaN-based LED. Moreover, optical characteristics of the LED were studied using photoluminescence, along with the blue-shifts observed as well.