范千千，徐坤熠，符斯列

(1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006；2.華南師范大學(xué) 物理學(xué)科基礎(chǔ)課程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006)

半導(dǎo)體材料作為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，其發(fā)展為光電子、微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件.以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小等優(yōu)越特性，是繼Ge、Si和GaAs之后最主要的半導(dǎo)體材料之一.GaN材料制作的LED表現(xiàn)出優(yōu)異的照明效率和低功耗特點(diǎn)，已經(jīng)迅速取代了傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈[1]，且以其壽命長、耐沖擊、抗震、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在圖像顯示、信號指示、照明與基礎(chǔ)研究方面有極為廣闊的研究前景[2].除此之外，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光組件，相較其它發(fā)光組件，具有高效率、省電、耐用等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于剎車燈、交通信號標(biāo)志燈、戶外展示燈等.

相比普通PN結(jié)二極管，雙異質(zhì)結(jié)二極管中的電子和空穴復(fù)合率更高，具有更高的發(fā)光效率.近年來，通過提升外延技術(shù)制備出了更高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，提高了異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)特性[3].對于雙異質(zhì)結(jié)，主要研究了GaN基雙異質(zhì)結(jié)的高功率特性[4]、異質(zhì)結(jié)內(nèi)的載流子傳輸機(jī)制[5]、異質(zhì)結(jié)在低溫下的電流增益特性[6]，還在GaN基底上制備了PNP型雙極晶體管，研究了它們在室溫下的電流/電壓和高功率特性[7].

本文通過C-V法測量GaN基藍(lán)光二極管的PN結(jié)特性，借助液氮進(jìn)行控溫得到該二極管的變溫C-V曲線以及與其對應(yīng)的C-2-V曲線和C-3-V曲線，分析其在室溫下兩側(cè)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究溫度變化對C-V曲線的影響.最后根據(jù)樣品的C-V曲線及對應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布曲線，分析GaN基雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光發(fā)光二極管在不同溫度下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

1.1 電容-電壓測量原理

PN結(jié)是半導(dǎo)體技術(shù)中許多元件的基本組成部分，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)及非突變又非線性緩變結(jié)[3].

突變結(jié)的特點(diǎn)為N型區(qū)施主雜質(zhì)濃度在交界面處突變?yōu)镻型區(qū)受主雜質(zhì)濃度，且C-2-V曲線呈線性關(guān)系，如圖1(a)所示，由直線斜率可求出約化雜質(zhì)濃度.而線性緩變結(jié)的雜質(zhì)濃度從PN結(jié)一側(cè)到另一側(cè)呈線性緩慢變化，C-3-V曲線呈線性關(guān)系,如圖1(b)所示，由直線斜率可求出雜質(zhì)濃度梯度[8].

突變結(jié)的C-2-V曲線關(guān)系

根據(jù)PN結(jié)電容理論，其勢壘電容與結(jié)寬的關(guān)系滿足

(1)

代入泊松方程可得約化雜質(zhì)濃度N*(l)隨結(jié)寬的分布為[8,9]

(2)

其中，ε0和εr分別為真空電容率和材料的相對電容率，A為截面積，e為基本電荷量.

1.2 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)

由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料組成的結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)[10]，含有異質(zhì)結(jié)的兩層以上的結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu).雙異質(zhì)結(jié)由兩塊寬禁帶半導(dǎo)體夾一層窄帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成[11].理想的異質(zhì)結(jié)由于兩側(cè)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不同，能帶在兩種半導(dǎo)體材料的交界面處不連續(xù)，出現(xiàn)突變，如圖2(a)所示.理想的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)其兩側(cè)能帶結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)為能帶突變型，如圖2(b)所示[10].

理想異質(zhì)結(jié)能帶突變示意圖

GaN基雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的制作工藝流程如下：外延時(shí)，先在藍(lán)寶石襯底上生長一層用于釋放應(yīng)力[3]的GaN緩沖層.然后升高溫度，依次生長不同厚度[12]的n-GaN和n-AlGaN限制層.接著在較低溫度下生長InGaN有源層，進(jìn)入有源層的電子和空穴在異質(zhì)結(jié)勢壘的作用下被封閉在內(nèi)，兩者復(fù)合時(shí)將實(shí)現(xiàn)發(fā)光，保證發(fā)光二極管的發(fā)光性能.在有源層上繼續(xù)生長p-AlGaN限制層和p-GaN接觸層，最后分別在n區(qū)和p區(qū)添加金屬以作為歐姆接觸的電極，進(jìn)行封裝，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[13].

圖3 GaN基雙異質(zhì)結(jié)材料樣品結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品及裝置

實(shí)驗(yàn)所用樣品為GaN基藍(lán)光二極管，其中心波長λ=460～465 nm，工作電壓V=3.0～3.2 V，結(jié)面積A=6.25×10-4cm2，GaN的相對電容率εr=8.9，真空電容率ε0=8.854 pF/m.

實(shí)驗(yàn)所用儀器是由廣州四探針科技有限公司研發(fā)的CV-5000型電容電壓特性測試儀，電容測量范圍1.000 0～5 000.0 pF.外加偏壓設(shè)置為-10～0 V，調(diào)節(jié)偏壓變化步長為0.1 V，對GaN基藍(lán)光二極管進(jìn)行電容量掃描記錄.實(shí)驗(yàn)所用液氮瓶和標(biāo)準(zhǔn)Pt100 Ω溫度探頭、溫度測量儀器，分別用于改變樣品的溫度和檢測樣品的溫度.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將樣品的兩根引腳與漆包線焊在一起以擴(kuò)大接線范圍，使與引腳相連的兩條漆包線兩端接入CV-5000型電容電壓特性測試儀.同時(shí)，將樣品用電工膠帶貼于內(nèi)置溫度探頭的紫銅圓柱形恒溫器外，以確保溫度探頭能盡量真實(shí)反映樣品的溫度.為了改變樣品的溫度，利用沉降法將固定有樣品的紫銅恒溫器放入液氮瓶中.具體裝置如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 判斷PN結(jié)類型

本文采用C-V法對GaN基藍(lán)光二極管的PN結(jié)特點(diǎn)進(jìn)行研究，在T=298 K時(shí)對樣品進(jìn)行了測量，得到其對應(yīng)的電容值C與電壓值V，曲線如圖5所示.

圖5 T=298 K時(shí)的C-V曲線

對T=298 K時(shí)的C-V曲線進(jìn)行觀察，能夠發(fā)現(xiàn)曲線上存在一個(gè)“平臺”.結(jié)合圖2(b)理想雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶突變示意圖，為了更加合理地判斷藍(lán)光二極管雙異質(zhì)結(jié)的PN結(jié)特點(diǎn)，分別對“平臺”兩側(cè)進(jìn)行分析.將曲線分為-0.5～-3 V以及-3.5～-8 V兩部分，并分別對其C-2-V曲線和C-3-V曲線進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖6所示.

T=298 K時(shí)-0.5～-3 V的C-2-V曲線

由圖像可看出，4條曲線均具有一定的線性關(guān)系.但兩兩對比后發(fā)現(xiàn)，在-0.5～-3 V以及-3.5～-8 V時(shí)，都是C-2-V曲線較之C-3-V曲線的線性程度更好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)更靠近擬合直線.進(jìn)一步對樣品在兩個(gè)電壓區(qū)間的C-2-V曲線和C-3-V曲線進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)-0.5～-3 V時(shí)的C-2-V曲線和C-3-V曲線相關(guān)系數(shù)的平方值分別為0.998 61與0.996 87，說明C-2-V曲線有更好的線性關(guān)系；-3.5～-8 V時(shí)的兩曲線相關(guān)系數(shù)的平方值分別為0.998 13與0.994 18，說明C-2-V曲線有更好的線性關(guān)系.因此，該GaN基雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光二極管的PN結(jié)類型兩邊都為突變結(jié).

2.2 GaN基藍(lán)光二極管的變溫C-V曲線

將樣品固定在紫銅圓柱形恒溫器表面，恒溫器沉降進(jìn)入液氮內(nèi)，利用液氮對GaN基藍(lán)光二極管進(jìn)行溫度控制，樣品的溫度由溫度測量儀進(jìn)行測量，得到5個(gè)溫度下樣品的C-V曲線如圖7所示.

圖7 不同溫度下的C-V曲線

在同一溫度下，樣品的電容值隨反向電壓值的增大呈減小趨勢.對于突變結(jié)，理論上PN結(jié)兩端C-V變化關(guān)系存在冪次衰減的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)得到的GaN基藍(lán)光二極管的C-V曲線符合此變化規(guī)律[14].

在不同溫度下，樣品的電容值隨溫度的升高呈增大趨勢.由半導(dǎo)體的低溫載流效應(yīng)可知，當(dāng)溫度高于一定溫度時(shí)，雜質(zhì)全部電離[8]；當(dāng)溫度低于某溫度時(shí)，雜質(zhì)只有部分被電離，部分甚至是絕大部分的載流子被“冷凍”在雜質(zhì)能級上.因此，電離雜質(zhì)濃度在樣品溫度較高時(shí)處于較高的水平，表現(xiàn)為樣品此時(shí)的電容值更大.

2.3 雜質(zhì)濃度隨結(jié)寬的分布

對5個(gè)溫度下樣品的C-V實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠觀察到在C-V曲線上存在一個(gè)“平臺”.根據(jù)C-V曲線進(jìn)一步對雜質(zhì)濃度變化關(guān)系進(jìn)行分析，根據(jù)公式(2)，求出相應(yīng)的雜質(zhì)濃度隨結(jié)寬的分布如圖8所示.

圖8 不同溫度下的雜質(zhì)濃度分布曲線

表1 不同溫度下的雜質(zhì)濃度分布平均值

在同一溫度下，雜質(zhì)濃度分布N(l)基本穩(wěn)定.雜質(zhì)濃度分布曲線的起伏是由于雜質(zhì)濃度分布N(l)與C-V曲線各點(diǎn)的斜率dC/dV有關(guān)，dC/dV的微小變化會導(dǎo)致雜質(zhì)濃度分布N(l)在平均值附近上下浮動(dòng)[8].

2.4 溫度變化對雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

為了判斷溫度變化對雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，對5個(gè)溫度下的雜質(zhì)濃度分布曲線進(jìn)行分析.如圖8所示，樣品的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布曲線大體呈現(xiàn)“U”形走向.在T=298 K時(shí)，雜質(zhì)濃度分布曲線兩側(cè)對稱性較差，曲線右側(cè)雜質(zhì)濃度隨著結(jié)寬的增大而增大.此時(shí)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)與理想的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)不符，說明作為樣品的GaN基藍(lán)光二極管可能在室溫下并非理想的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu).

當(dāng)溫度降至T=248 K時(shí)，雜質(zhì)濃度分布曲線的對稱性相較T=298 K時(shí)有了明顯的改善，曲線右側(cè)雜質(zhì)濃度達(dá)到峰值后開始降低.考慮到雜質(zhì)濃度分布曲線的平滑度易受到C-V曲線各點(diǎn)的斜率影響，說明當(dāng)溫度降低到T=248 K時(shí)樣品的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)趨向于緩變的狀態(tài)，與理想的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍有一定偏差.而T=198 K和T=148 K時(shí)的雜質(zhì)濃度分布曲線相較T=298 K時(shí)也出現(xiàn)了一定程度的改善，同樣呈現(xiàn)緩變走向.

進(jìn)一步降低溫度為T=98 K時(shí)，雜質(zhì)濃度分布曲線的對稱性最高、極值差異最為明顯，且曲線走向基本符合“U”形.雖然與圖2(b)相比較，在雜質(zhì)濃度分布曲線下降過程中出現(xiàn)了一定程度的彎曲，但相較室溫下的雜質(zhì)濃度分布曲線已有了較大改善，也更加接近理想雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)兩端的勢壘突變.

通過對不同溫度的雜質(zhì)濃度分布曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：(1)在T=298 K時(shí)，雜質(zhì)濃度分布曲線明顯不符合理想雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可能是在溫度影響下結(jié)構(gòu)不明顯；(2)在T=248 K、T=198 K、T=148 K時(shí)的雜質(zhì)濃度分布曲線呈類“U”形，說明在溫度降低的過程中，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸顯著，但同理想雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍有一定差異；(3)當(dāng)溫度降低到T=98 K時(shí)，此時(shí)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)明顯，接近理想雙異質(zhì)結(jié)構(gòu).

3 結(jié)論

本文通過常用的電容-電壓(C-V)法測量GaN基藍(lán)光二極管的PN結(jié)特性，使用CV-5000型電容電壓特性測試儀對二極管施加反向偏壓，由C-2-V曲線和C-3-V曲線判斷在室溫下二極管PN結(jié)的類型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該GaN基雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光二極管的PN結(jié)類型兩邊都為突變結(jié).除此以外，借助液氮進(jìn)行溫控，通過二極管的變溫C-V曲線及對應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布曲線，觀察不同溫度下的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析溫度變化對雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響.發(fā)現(xiàn)在溫度T=298 K即室溫下時(shí)，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)不明顯；T=248 K時(shí)出現(xiàn)變化，曲線對稱性改善，呈現(xiàn)為緩變；溫度降至T=98 K時(shí)，雜質(zhì)濃度分布曲線接近突變曲線，樣品的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)較為明顯，說明隨著溫度的降低，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸接近理想雙異質(zhì)結(jié)構(gòu).