符斯列，王春安，蔣聯(lián)嬌，秦盈星，吳先球

(1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510006；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

C-V法測量GaN基藍(lán)光LED的PN結(jié)特性

符斯列1，王春安2，蔣聯(lián)嬌1，秦盈星1，吳先球1

(1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510006；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

應(yīng)用C-V法研究了GaN基藍(lán)光LED的PN結(jié)特性.通過變溫的C-V曲線、相應(yīng)的C-2-V曲線和C-3-V曲線判斷GaN基PN結(jié)的結(jié)類型，計(jì)算雜質(zhì)濃度分布和PN結(jié)接觸電勢差，并分析了溫度變化對(duì)PN結(jié)特性的影響.該實(shí)驗(yàn)不僅能加深學(xué)生對(duì)二極管PN結(jié)及C-V法應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和理解，還可以讓學(xué)生了解GaN新型半導(dǎo)體材料的相關(guān)知識(shí).

C-V法；GaN基藍(lán)光二極管；PN結(jié)特性；雜質(zhì)濃度分布

電容-電壓(C-V)測量法是一種簡單、快速、無損傷的二極管PN結(jié)特性測量方法[1-2]，同時(shí)也是大學(xué)本科高年級(jí)物理專業(yè)近代物理實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3].通過給二極管施加反向偏置電壓V，測量對(duì)應(yīng)的二極管PN結(jié)電容C，然后根據(jù)C-V曲線以及相應(yīng)的C-2-V曲線和C-3-V曲線，就可以判斷二極管的PN結(jié)類型，計(jì)算PN結(jié)接觸電勢差VD,以及獲得PN結(jié)的雜質(zhì)濃度分布信息.C-V法不僅可以應(yīng)用于電子二極管和肖特基結(jié)，也可以應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)的PN結(jié)特性研究，如新一代GaN基藍(lán)光LED.GaN是一種高亮度、耐高溫、抗腐蝕的寬禁帶直接帶隙的藍(lán)光半導(dǎo)體材料.GaN基LED所輻射的藍(lán)光，和GaAs基LED所輻射的紅光及綠光一起，構(gòu)成了白光的三基色，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型戶外平板顯示、白光照明等[4-6]方面.

本文通過C-V法測量GaN基PN結(jié)特性，并通過液氮制冷得到變溫的GaN基PN結(jié)的C-V曲線及相應(yīng)的C-2-V曲線和C-3-V曲線，分析GaN基PN結(jié)的結(jié)構(gòu)特性，以及溫度變化對(duì)GaN基PN結(jié)特性的影響.該實(shí)驗(yàn)不僅能加深學(xué)生對(duì)二極管PN結(jié)及C-V法應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和理解，還可以讓學(xué)生了解GaN新型半導(dǎo)體材料的相關(guān)知識(shí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，同時(shí)也是對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)中常規(guī)C-V實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充和拓展.

1 實(shí)驗(yàn)原理

一般而言，采用合金法、擴(kuò)散法、氣相沉積法和離子注入法等工藝制備的二極管PN結(jié)， 根據(jù)雜質(zhì)濃度隨結(jié)寬的變化，PN結(jié)類型基本可分為突變結(jié)、線性緩變結(jié)及非突變非線性緩變結(jié)[2,7].PN結(jié)的雜質(zhì)濃度分布如圖1所示.

(a)突變結(jié)

(b)線性緩變結(jié)

(c)非突變非線性緩變結(jié)

突變結(jié)的雜質(zhì)分布特點(diǎn)是：N型區(qū)施主雜質(zhì)濃度ND在交界面x=xj處，突變?yōu)镻型區(qū)受主雜質(zhì)濃度NA[如圖1(a)所示]，且ND和NA都是均勻分布.特別是當(dāng)雜質(zhì)濃度一側(cè)比另一側(cè)高很多，則稱為單邊突變結(jié)，單邊突變結(jié)的結(jié)寬主要集中在低雜質(zhì)濃度一側(cè).

線性緩變結(jié)的特點(diǎn)是:雜質(zhì)濃度從PN結(jié)一側(cè)到另一側(cè)線性緩慢變化,如圖1(b)所示，其雜質(zhì)分布可用雜質(zhì)濃度梯度G來表示：

ND-NA=G(x-xj) .

(1)

若結(jié)PN的雜質(zhì)分布既不符合突變結(jié)也不符合線性緩變結(jié)，則為非突變非線性緩變結(jié)，其雜質(zhì)濃度分布如圖1(c)所示.

對(duì)任意結(jié)類型的PN結(jié)，其PN結(jié)空間電荷區(qū)域的電勢與電荷關(guān)系可以用泊松方程描述，若僅考慮縱向分布，則一維縱向分布的泊松方程為

(2)

其中ε0和εr分別為真空電容率和材料的相對(duì)電容率，ρ(x)和V(x)為空間電荷區(qū)凈電荷密度和電勢.

根據(jù)PN結(jié)的電容理論，如果假設(shè)耗盡層成立，同時(shí)認(rèn)為雜質(zhì)完全電離，則可通過泊松方程得到突變結(jié)PN結(jié)兩端的總電勢差與勢壘電容C的關(guān)系為[2,7]

(3)

圖2 突變結(jié)的C-2-V曲線關(guān)系

需要說明的是，對(duì)于單邊突變結(jié)，由于PN結(jié)兩側(cè)摻雜濃度相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，約化雜質(zhì)濃度N*可看成是低濃度一側(cè)的平均雜質(zhì)濃度.

對(duì)線性緩變結(jié)，同樣假設(shè)耗盡層成立，則PN結(jié)兩端的總電勢差與勢壘電容C的關(guān)系滿足：

(4)

圖3 線性緩變結(jié)的C-3-V曲線關(guān)系

對(duì)于非突變非線性緩變結(jié)，C-2-V曲線與C-3-V曲線都不呈線性關(guān)系,勢壘電容為

(5)

在雜質(zhì)任意分布情況下均成立，其中l(wèi)為PN結(jié)結(jié)寬，相應(yīng)的約化雜質(zhì)濃度隨結(jié)寬l的分布滿足：

(6)

對(duì)單邊突變結(jié)，約化雜質(zhì)濃度N*可看成是低雜質(zhì)濃度一側(cè)的雜質(zhì)濃度.

實(shí)驗(yàn)采用的樣品為市面上常見的普通亮度φ5 mm GaN基藍(lán)光LED，采用引腳式封裝，其中心波長為460～465 nm，工作電壓3.0～3.2 V，結(jié)面積S=6.25×10-4cm2，GaN材料的相對(duì)電容率εr=8.9，真空電容率ε0=8.854 pF/m.實(shí)驗(yàn)儀器為CTG-1型高頻電容-電壓特性測試儀，溫度傳感器為標(biāo)準(zhǔn)Pt 100 Ω溫度探頭.LED樣品和溫度探頭緊挨著置于紫銅做成的圓柱形恒溫器內(nèi)，以確保溫度探頭能真實(shí)反映樣品溫度.實(shí)驗(yàn)時(shí)通過沉降法把LED樣品緩慢放入液氮杜瓦瓶，在LED樣品溫度分別為T=289,223,173,123,83 K時(shí)測量其C-V曲線.另外，為了減少PN結(jié)擴(kuò)散電容對(duì)測量結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)二極管施加偏壓為負(fù)偏壓，在負(fù)偏壓條件下，反向飽和電流很小，此時(shí)勢壘電容起主要作用，擴(kuò)散電容可以忽略[7].在本實(shí)驗(yàn)中，施加的負(fù)偏壓范圍為0～-8 V.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 GaN基藍(lán)光LED變溫C-V曲線

各個(gè)溫度下測得的GaN基藍(lán)光LED樣品的C-V曲線如圖4所示.圖4表明：

1)同一溫度下，PN結(jié)勢壘電容C隨著反向偏壓的增大而減小，呈現(xiàn)類似冪律衰減的變化[8].

2)在變溫情況下，溫度降低，則勢壘電容C變小，且溫度越低，其勢壘電容C隨著反向偏壓的變化就越平緩.表現(xiàn)為0～-8 V負(fù)偏壓范圍內(nèi)，T=289 K時(shí)的C-V曲線比T=83 K的C-V曲線變化范圍要大.這是因?yàn)楦鶕?jù)半導(dǎo)體的低溫載流子凍析效應(yīng)，當(dāng)溫度高于一定溫度時(shí)，雜質(zhì)全部電離，而當(dāng)溫度低于一定溫度時(shí)，雜質(zhì)只是部分電離，尚有部分載流子被凍析在雜質(zhì)能級(jí)上，即溫度高時(shí)電離的雜質(zhì)濃度高于溫度低時(shí)電離的雜質(zhì)濃度.所以施加同樣的反向偏壓時(shí)，溫度越低，勢壘電容越小.

圖4 GaN基藍(lán)光LED的變溫C-V曲線

2.2 判斷PN結(jié)類型

為了判斷該GaN基LED的PN結(jié)類型，選擇了T=289 K時(shí)樣品的C-2-V曲線和C-3-V曲線來進(jìn)行最小二乘法線性回歸分析，擬合結(jié)果如圖5和圖6所示，擬合直線分別用圖中虛線表示.其中用于評(píng)價(jià)2條擬合直線優(yōu)劣的Pearson線性相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均在0.99以上，并且擬合直線的顯著性F檢驗(yàn)表明C-2-V曲線的線性關(guān)系及C-3-V曲線的線性關(guān)系均達(dá)到了0.05的顯著水平.

圖5 T=289 K時(shí)的C-2-V曲線

圖6 T=289 K時(shí)的C-3-V曲線

上述分析數(shù)據(jù)雖然表明該GaN基LED樣品的C-2-V曲線及C-3-V曲線均具有一定的線性關(guān)系，但是由于圖5中C-2-V曲線更多的點(diǎn)落在擬合直線上，而圖6中C-3-V曲線有稍微的彎曲，這說明C-2-V曲線具有更明顯的線性關(guān)系，因此把該發(fā)光二極管的PN結(jié)類型歸類為突變結(jié).已知GaN基藍(lán)光LED制備的基本過程為在藍(lán)寶石襯底上先低溫生長1層很薄的GaN緩沖層，然后高溫生長摻Si的N型GaN層，最后再生長摻Mg的P型GaN，形成GaN基PN結(jié).由于摻Mg會(huì)形成Mg-H絡(luò)合物，導(dǎo)致高濃度P型摻雜非常困難，需要熱退火處理才能形成有效的P型摻雜，因此一般的GaN基藍(lán)光LED均屬于N+P單邊突變結(jié)[9].

此外，為了進(jìn)一步研究溫度變化對(duì)PN結(jié)類型的影響，分析不同溫度下的C-2-V曲線，其結(jié)果如圖7所示.圖7顯示，在室溫至液氮溫區(qū)內(nèi)，GaN基PN結(jié)的C-2-V曲線仍保持線性關(guān)系，這說明環(huán)境溫度的變化不會(huì)改變?cè)揋aN基PN結(jié)的突變結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

圖7 不同溫度下GaN基LED的C-2-V曲線

2.3 計(jì)算雜質(zhì)濃度分布

表1說明了單邊突變結(jié)N+P中P型區(qū)一側(cè)的雜質(zhì)濃度在1017cm-3數(shù)量級(jí)，與文獻(xiàn)[10]相符.此外，雜質(zhì)濃度隨著溫度的降低而減少，這是因?yàn)闇囟冉档椭烈欢ǔ潭葧r(shí)，雜質(zhì)將未能全部電離，使得PN結(jié)空間電荷區(qū)濃度降低，從而雜質(zhì)濃度也隨之降低，圖8也驗(yàn)證了這一現(xiàn)象.但是，由于雜質(zhì)濃度分布NA(l)與C-V曲線的導(dǎo)數(shù)dC/dV有關(guān)，而導(dǎo)數(shù)對(duì)C-V曲線的起伏變化非常敏感，因此C-V曲線的微小起伏造成雜質(zhì)濃度分布NA(l)在平均雜質(zhì)濃度N*附近上下波動(dòng).

表1 不同溫度下的GaN基PN結(jié)平均雜質(zhì)濃度

圖8 不同溫度下PN結(jié)雜質(zhì)濃度隨結(jié)寬l的分布

2.4 計(jì)算PN結(jié)接觸電勢差VD

根據(jù)C-2-V曲線延長線在電壓橫軸上的截距，得到各個(gè)溫度下PN結(jié)的接觸電勢差VD，其結(jié)果如圖9(a)所示.圖9(a)表明：當(dāng)溫度高于150 K時(shí)，接觸電勢差VD在3.4 V附近變動(dòng);當(dāng)溫度低于150 K時(shí)，接觸電勢差VD隨著環(huán)境溫度的降低而快速升高，其數(shù)值從T=173 K時(shí)的3.39 V上升到T=83 K的7.65 V.根據(jù)PN結(jié)接觸電勢差公式[7]

(7)

可知，VD與P區(qū)雜質(zhì)濃度NA、N區(qū)雜質(zhì)濃度ND、溫度T、本征載流子濃度ni有關(guān)，同時(shí)，ni也受到溫度T的影響：

(8)

式中Nc和Nv分別是導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度：

(9)

(10)

(11)

因?yàn)镋g也和溫度有關(guān)，且一般呈負(fù)溫度關(guān)系.在不考慮雜質(zhì)濃度對(duì)禁帶寬度影響的情況下，GaN材料的禁帶寬度Eg與溫度關(guān)系[11]為

(12)

其中Eg(0)=3.47 eV.由此式(11)可進(jìn)一步具體寫成:

(13)

又因?yàn)閗BT是能量量綱，可以用eV表示，且有1 eV=1.602×10-19J，由此根據(jù)式(7)最終得到的接觸電勢差VD與溫度的理論關(guān)系為

(14)

(14)式中VD單位為V.根據(jù)式(14)模擬計(jì)算得到的VD-T關(guān)系如圖9(b)中所示.

(a)實(shí)驗(yàn)曲線

(b)理論曲線圖9 GaN基LED接觸電勢差VD隨溫度的變化

比較圖9中接觸電勢差VD的實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線，發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)VD均隨著溫度的降低而增加，變化趨勢與文獻(xiàn)[12]相符.其中在溫度高于150 K時(shí)，實(shí)驗(yàn)曲線和理論曲線基本相符，但是隨著溫度繼續(xù)降低，實(shí)驗(yàn)VD上升特別快，數(shù)值大幅升至7.6 V，而理論模擬值才上升至3.47 V左右.這說明實(shí)驗(yàn)曲線和理論模擬曲線相比，出現(xiàn)較大偏差.我們認(rèn)為有2個(gè)原因造成偏差：

1)在溫度高于150 K時(shí)，C-2-V曲線的線性還是很明顯的，這時(shí)可以認(rèn)為是突變結(jié).但是，當(dāng)溫度小于150 K時(shí)，C-2-V曲線會(huì)出現(xiàn)稍微的彎曲，此時(shí)仍把該P(yáng)N結(jié)看成突變結(jié)過于簡單，由此根據(jù)C-2-V曲線截距計(jì)算出來的結(jié)果會(huì)有偏差.

2)另一個(gè)主要原因是界面態(tài)導(dǎo)致，界面態(tài)對(duì)接觸電勢會(huì)有非常大的影響[13-14].界面態(tài)主要來自界面的懸掛鍵，或線缺陷延伸到表面形成的界面態(tài)，另外，還有表面吸附原子形成的界面態(tài).界面態(tài)會(huì)在界面附近形成空間電荷區(qū)，使能帶在界面處彎曲并產(chǎn)生一定的勢壘，最終導(dǎo)致PN結(jié)的總接觸電勢變大.如果界面態(tài)密度很大，會(huì)產(chǎn)生接觸勢壘被高界面態(tài)密度釘扎(pinned)的現(xiàn)象.在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度降得很低時(shí)(如低于150 K)，會(huì)有更多的電子(空穴)被界面態(tài)捕獲，界面附近的空間電荷區(qū)加強(qiáng)，導(dǎo)致能帶在界面處彎曲更厲害，界面態(tài)對(duì)PN結(jié)總接觸電勢差的作用凸顯.最終使得PN結(jié)的總接觸電勢差快速上升，脫離理論值，并造成C-2-V曲線在溫度低于150 K時(shí)出現(xiàn)稍微彎曲的現(xiàn)象.

3 結(jié)束語

電容-電壓法是一種常用的、有效的二極管PN結(jié)特性測量方法，不僅可以用于電子二極管及肖特基結(jié)的測量，還可以應(yīng)用于發(fā)光二極管PN結(jié)特性測量中.通過給二極管施加反向偏置電壓V，測量相應(yīng)的PN結(jié)電容C，就可以根據(jù)C-V曲線、C-2-V曲線和C-3-V曲線來判斷二極管結(jié)類型，計(jì)算接觸電勢差，獲得PN結(jié)的雜質(zhì)濃度分布信息.該實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理專業(yè)高年級(jí)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的常選實(shí)驗(yàn)，但平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只涉及室溫條件下電子二極管PN結(jié)特性測量.本文把C-V法拓展應(yīng)用到新型GaN基發(fā)光二極管的PN結(jié)特性測量中，并通過液氮制冷得到變溫的GaN基PN結(jié)的C-V曲線，分析溫度變化對(duì)GaN基PN結(jié)特性的影響.該實(shí)驗(yàn)操作簡單，測量數(shù)據(jù)可靠，可作為大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)不僅能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電容-電壓測量技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解，還可以讓學(xué)生接觸低溫制冷，了解GaN基新材料和新器件的特性，在實(shí)驗(yàn)的過程中體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，拓展知識(shí)視野.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Measuring characteristics of PN junction in GaN-based LED usingC-Vmethod

FU Si-lie1, WANG Chun-an2, JIANG Lian-jiao1, QIN Ying-xing1, WU Xian-qiu1

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 2.School of Electronic and Information, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510006, China)

Temperature-dependentC-Vmeasurement was applied to study the PN junction in GaN-based blue LED.The type of the PN junction was determined, the impurity distribution and the contact potential difference were calculated, and temperature dependence of the characteristics of the PN junction was analyzed.The experiment could not only deepen students’ understanding on PN junction and the application of theC-Vmethod, but also help students understand the relevant knowledge of GaN semiconducting materials.

C-Vmeasurement; GaN-based LED; PN junction; impurity distribution

2016-11-08；修改日期：2016-12-25

國家自然科學(xué)基金資助(No.10575039)；廣東省自然科學(xué)基金資助(No.S2013010012548)

符斯列(1972-)，男，海南臨高人，華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)镮II-V族化合物半導(dǎo)體的低溫制備及材料特性.

O475

A

1005-4642(2017)05-0001-06