王美玉，章國(guó)安，張振娟，施 敏，朱曉軍，朱友華

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019）

由于高效率的AlGaN基深紫外發(fā)光二極管（記為AlGaN－UV－LEDs，以下簡(jiǎn)記為 UV－LEDs）在生物制劑的檢測(cè)、固態(tài)白光照明，以及空氣凈化應(yīng)用等方面受到極大的關(guān)注。近年來(lái)，許多研究人員通過(guò)使用鋁鎵氮合金，制備出發(fā)光波長(zhǎng)位于300nm以下的深紫外發(fā)光二極管［1－7］。但在開(kāi)發(fā)高性能 UV－LEDs的過(guò)程中，也常備受一些困擾。比如：生長(zhǎng)出高品位的Al－GaN或AlN薄膜，是提高其發(fā)光效率的先決條件；高質(zhì)量AlN襯底也是獲得高品位AlGaN外延薄膜的最常用的襯底之一［8］。此外，由于受電子溢出［9］或 Mg擴(kuò)散［10］而導(dǎo)致的非帶邊峰發(fā)光在UV－LEDs的相關(guān)論文中也經(jīng)常有相應(yīng)的報(bào)道。研究人員為了消除此寄生發(fā)光峰，采用高Al組分的AlGaN中間層作為電子阻擋層［11］。在本文中，將對(duì)具有AlN襯底上的UVLEDs的器件結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性改善之間的因果關(guān)系等進(jìn)行科學(xué)的探討。

1 實(shí)驗(yàn)

UV－LEDs結(jié)構(gòu)的樣品是在一個(gè)水平腔MOCVD系統(tǒng)（日本酸素SR－2000）中生長(zhǎng)。SiH4和Cp2Mg分別用于n型和p型的摻雜。其中50.8mm（2英寸）直徑的AlN襯底被用來(lái)作為底層基板，而該襯底是通過(guò)MOCVD系統(tǒng)，在c－面藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的1μm厚的AlN薄膜［8］。有報(bào)告曾提及：無(wú)裂紋且相對(duì)高質(zhì)量的AlGaN薄膜可直接生長(zhǎng)在AlN襯底上［12］。

研發(fā)出屬于C區(qū)（265nm附近）的深紫外發(fā)光二極管，主要是基于以下的生長(zhǎng)方法：在AlN襯底上生長(zhǎng)0.5μm 厚的Al0.6Ga0.4N層；所生長(zhǎng)的是有源區(qū)，該區(qū)域主要是在n型Al0.6Ga0.4N蓋層上，由五周期的Al00.49Ga0.51N 量 子阱層（3nm）和一個(gè) Al0.55Ga0.45N壘層（5nm）所形成的，并隨后由一個(gè)p型 Al0.6Ga0.4N蓋層（25nm）的沉積。最后形成的是p－型 Al0.3Ga0.7N層（25nm）和p型GaN接觸層。在本研究中，對(duì)如下兩種結(jié)構(gòu)的LEDs進(jìn)行相應(yīng)的比較：含有1μm厚的n－AlGaN和25nm的厚度的p－GaN接觸層（記為樣品A）：n－AlGaN的厚度為1.7μm 和p－GaN厚度為200 nm（記為樣品B），而其他外延層的厚度均一樣。此外，還有另外一個(gè)結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)之處是：B型樣品的活性層區(qū)域和p型蓋層之間有1nm厚的i－AlN電子阻擋層。為了確認(rèn)i－AlN是否成功生長(zhǎng)，通過(guò)斷面透射掃描電鏡對(duì)器件結(jié)構(gòu)特征做了簡(jiǎn)要的表征。

在對(duì)500μm×500μm臺(tái)面型結(jié)構(gòu)的LED器件工藝制作過(guò)程中，使用的是光刻、刻蝕以及蒸鍍等傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝加工［13］。比如：n－AlGaN層的一側(cè)通過(guò)反應(yīng)性離子蝕刻后做n歐姆接觸電極；Mg受主的活性化退火是在800℃氮?dú)夥諊羞M(jìn)行30min爐內(nèi)慢性退火；使用常規(guī)電子束（EB）蒸發(fā)沉積出n－歐姆接觸金屬層 Ti／Al／Ni／Au（15／70／12／60nm），并隨后被快速退火，其條件是在900℃的氮?dú)夥諊?0s；然后，在GaN的表面上，通過(guò)同樣的EB法沉積出Ni／Au（6／12nm）p型歐姆接觸金屬層，并在空氣氛圍中于600℃退火3min；最后，在p型歐姆接觸金屬層之上再沉積出Ni／Au的（5／60nm）的p型接觸電極。在對(duì)器件性能表征方面，從LEDs芯片的背面通過(guò)底層的藍(lán)寶石所發(fā)出的電致發(fā)光譜（EL）用SD2000分光計(jì)（海洋光學(xué)公司）探測(cè)；輸出功率由放置在樣品的緊鄰背面?zhèn)鹊墓夤β时恚℉amamatsu H8025－254）測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

圖1顯示的是樣品B的斷面透射掃描電鏡圖。從中可以非常清楚地觀測(cè)到i－AlN僅有1nm厚的插入層成功地得以生長(zhǎng)。此外，下面的多量子阱（MQWs）的界面也相當(dāng)平整。這些結(jié)構(gòu)特征可以驗(yàn)證本研究中的UV－LEDs器件具有高品位的外延晶體質(zhì)量。因此可以期待其將表現(xiàn)出良好的器件發(fā)光性能。

圖2顯示的是在室溫與8A／cm2直流電流（DC）注入下2個(gè)樣品的電致發(fā)光譜（EL），插圖為L(zhǎng)EDs的示意性結(jié)構(gòu)圖。在此圖中可以清楚地看出：樣品A除了可觀察到264nm附近的近帶邊發(fā)光峰（NBE）之外，另有一個(gè)非常明顯且較強(qiáng)的寄生發(fā)光峰（SBE），峰值位約在320nm處；B樣品有更強(qiáng)的NBE，其半高寬值約9nm；但320nm處的SBE峰強(qiáng)度卻急劇下降。一般推測(cè)對(duì)應(yīng)的SBE歸因于載流子從多量子井區(qū)域溢出到p－AlGaN層或Mg從p－AlGaN層擴(kuò)散至多量子井而導(dǎo)致的。在此可以得出，本文中所探討的器件結(jié)構(gòu)中，通過(guò)插入非常薄的1nm的i－AlN層可以有效抑制寄生發(fā)光峰。

圖1 樣品B的斷面透射掃描電鏡圖

圖2 室溫與8A／cm2的注入電流下的樣品A和B的電致發(fā)光光譜

如圖3所示，樣品B的NBE峰與SBE峰的峰高比增至300多，而樣品A的此比率最大值只有10左右。與先前由Adivarahan等報(bào)道類似結(jié)構(gòu)的器件性能相比，B樣品中得到的值顯得相對(duì)更高（在50A／cm2直流注入下的比率是100）［14］。因此，進(jìn)一步可以得出以下結(jié)論：使用本文中的1nm的i－AlN層，在多量子阱發(fā)光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了更好的載流子約束，進(jìn)而改善了載流子的復(fù)合率。同時(shí)也可以預(yù)測(cè)出光功率也將得以較大的提高。

圖3 樣品A和B在不同的注入電流密度下的NBE與SBE峰高值比

圖4 樣品A和B在不同電流密度注入下的輸出功率

圖4所示為在室溫及不同注入電流密度下歸一化后2個(gè)樣品的輸出功率。相當(dāng)明顯的是：樣本B的輸出功率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樣品A。在輸入電流密度為16 A／cm2下，與樣品A對(duì)比，樣品B的最大輸出功率約為樣品A的20倍，進(jìn)一步證明：使用薄的i－AlN電子阻擋層可以改善UV－LEDS的發(fā)光特性。其實(shí)，若考慮其他改善因素，還發(fā)現(xiàn)較厚的 n－Al00.6Ga0.4N 蓋層也能有效地減少電流擁擠效應(yīng)［15］；較厚的p－GaN層也可以改善表面平坦性和起到更好的p型歐姆接觸效果。因此，除了薄的i－AlN插入層的效果之外，這些結(jié)構(gòu)上的合理調(diào)整也對(duì)本研究中的UV－LEDs的發(fā)光特性改善起到一定的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要探討了264nm波段的 AlGaN－UVLEDs發(fā)光性能的改善。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：通過(guò)在活性區(qū)域和p型蓋層之間插入1nm的i－AlN的電子阻擋層，可以非常有效地抑制320nm處的寄生發(fā)光峰；LED在活性區(qū)域也表現(xiàn)出了更好的光譜純度和良好的載流子限制效應(yīng)；對(duì)樣品結(jié)構(gòu)中的某些外延層的厚度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)應(yīng)UV－LEDs的輸出功率提高了20多倍。

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