研究掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响
摘
载流子热运动程中载流子晶格杂质缺陷断碰撞散射方发生规变化机晶体理想晶体机半导体质定形晶格散射电离杂质散射存载流子迁移率定数值迁移率衡量半导体导电性重参数决定半导体材料导电性影响器件工作速度n型GaNp型GaN迁移率反映半导体导电性重参数相掺杂浓度载流子迁移率越时半导体材料导电率越高迁移率仅电导率强弱关直接决定着载体运动速度直接影响半导体器件工作速度文研究掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响
关键词： 掺杂浓度 nGaN pGaN 载流子浓度 迁移率 影响
目 录
引言 2
GaN族载流子浓度 2
11 GaN族载流子浓度提高降低 2
12 辐产生氮空位破坏耗区两侧电荷衡 3
二 nGaNpGaN载流子浓度测量 3
21 高温电子辐检测 3
22 蓝带低密度饱机理分析 5
23 pGaNnGaN 6
3 掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响模拟计算结果讨 8
31 长波短波处探测器量子效率 8
32 差值影响规律 9
33 掺杂浓度界点反偏压误差影响 10
四 pGaN层载流子浓度耗区宽度关系 12
五 结 14
引言
GaN种重ⅢⅤ族半导体材料制备蓝光紫外波段半导体发光器件理想材料目前广泛掺杂技术镁选择p型氮化镓材料GaN生长程中Mg结合高温生长气氛氨分解产生氢形成MgH复合体必高温直接退火激活镁获较高p电导率[ 2 ]迄止优良p型导电GaN获进步研究解决难题GaN中杂质缺陷强烈影响电学性质深入研究具重意义
GaN族载流子浓度
11 GaN族载流子浓度提高降低
目前外GaN缺少理想晶格匹配衬底材料生长存严重晶格失配致GaN体材料中较缺陷密度[4]缺陷般认施性质[1]pGaN中补偿部分受导致pGaN中载流子浓度降低[5]具优异化学物理稳定性禁带宽度1962eV室温中实现蓝光紫光发射光电子学领域具广阔应前景[ 1～3 ]氮化镓身物理性质决定两种方法接首先GaN禁带宽度34eV电子亲势41eV较肖特基势垒pGaN金属间次CO杂质吸附pGaN表面高温处理材料生长退火程中会形成层绝缘金属电极氮化镓材料间形成附加势垒接触势垒高度增加
研究表明金属电极工作功非金属材料空穴浓度外非金属材料欧姆接触材料表面状态密切相关许国际研究组通湿表面处理改变样品表面物理化学状态低电阻p型欧姆接触（6～8）然目前尚缺乏中国氮化镓材料物理性化学性报告外缺乏理想晶格匹配衬底GaN材料生长中存严重晶格失配导致GaN体材料中存较缺陷密度（4）缺陷通常认[ 1 ]供性弥补pGaN受体部分导致[ 5 ] pGaN载流子浓度降低外pGaN受体钝化存[ 1 ]空穴浓度低pGaN材料氮化镓电子浓度（1018结构）
12 辐产生氮空位破坏耗区两侧电荷衡
研究pGaN表面状态欧姆接触特性影响采X射线光电子谱(XPS)俄歇电子谱(AES)等表面分析手段pGaN材料表面进行分析样品制作金属电极IV特性进行测试然通分析样品表面镓氮元素化学(GaN)CO含量样品电极接触特性探讨GaN表面物理化学特性金属电极接触特性间联系
界面状态影响击穿电压降低注意未加保护环表面没钝化层耗区电场横分布会影响击穿电压耗区电场强度横分布会产生电场表面表面部分击穿电压影响容忽视曲率半径越电场强度越曲率半径部分电场强度达击穿界电场强度时首先击穿该部分降低肖特基结击穿电压辐引起氮空位破坏耗区两侧电荷衡导致电场强度增击穿电压降低
般认原子位移需较高温度退火恢复界面状态击穿电压影响时100℃退火恢复反击穿电压实验结果表明100℃左右辐助减辐肖特基势垒二极影响约100摄氏度射诱导缺陷产生退火恢复[ 8 ]时间异质激光二极高温辐射[ 9 ]材料设备观察外观高温界面缺陷消失[ 10 ] [ 11 ]
结果表明氮化镓肖特基势垒二极辐射损伤100℃左右辐射GaN基器件高温工作该器件工作100℃提高辐射损伤阈值曲率部分易受辐诱导空位影响击穿电压降低辐射产生晶格缺陷导致肖特基端击穿软击穿认界面缺陷原子间粘结断裂位移断裂需量原子位移需量低温退火断裂粘结恢复
二 nGaNpGaN载流子浓度测量
21 高温电子辐检测
定量电子辐样品检测较长波长紫外光见光然样品见光灵敏度着反漏电流减样品见光灵敏度降低见光暗电流暗电流差异减见光光电流减研究高温电子辐GaN肖特基势垒紫外光探测器光敏性影响讨荧光灯温度100次辐温度样品电流电压特性射前样品探测254nm紫外光
反电压10V射光暗电流差注射量注入量达5×1015e 方厘米光暗电流差较光暗电流差100 C结果射反电压10V磁通量变化相致GaN材料禁带宽度34eV相应365nm长波极限254nm紫外线光子量488ev量远远GaN禁带宽度
254nm紫外光射样品时GaN价带电子吸收足够量光子跃迁导带见光(波长范围430690nm应光子量17731eV中波长4358nm光强强相应光子量284eV)言光子量远GaN禁带宽度没足够量跃迁产生光电流
22 蓝带低密度饱机理分析
研究Ｓｉ掺杂ｎ型ＧａＮ黄色发光起源时提弱蓝光发射蓝光发射机理未进行研究文非掺杂ｎ型ＧａＮ蓝光发射进行研究发光机制出合理解释1 ＧａＮ样品光谱仪简介文实验研究样品美国坎萨斯州立学(ＫａｎｓａｓＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)提供采ＭＯＣＶＤ方法制备生长宝石衬底非掺杂ＧａＮ样品膜厚约15μｍ电子密度10×1017ｃｍ3
关n型氮化镓黄光发射研究报道发光机理浅施跃迁辐射复合镓空位氮位配合物生成黄河带密度非常容易饱检测样品430450480nm激发光谱显示第激发态电子转移导带中蓝色发光带直蓝带水饱然余激发电子黄色发光带转移低浓度蓝光饱量剩余电子发射黄光黄较弱激发电子全部变成蓝色蓝色黄光强
推断蓝色发光级密度低容易饱黄色发光层密度易饱导带中激发电子蓝带传输速率速率远远黄色传输速率F4500型光谱仪应日立动光栅光谱仪生产试验激发波长选择扫描荧光光谱扫描计算机动控制波长扫描重复误差2nmGaN样品激发光谱结构波长光谱值检测波长侧标发光机理分析表明黄色发光强度峰值550nm波长取决激发强度427 ~ 496nm波长范围激发强度赖蓝色发光强度强弱谱激发强度增加20倍黄色发射强度急剧增加然蓝带发光强度相果232m3m光谱表明激发光强衰减3倍时着蓝光发射强度衰减黄色发光强度衰减较蓝色强度强度较弱
图1：电极制备完样品结构
GaN产生缺陷镓空位（VGA）氮空位（VN）氮氧代（）氧氮氢站间杂质镓通层量理计算结果表明：（6）n GaN中容易生成3种缺陷间质杂质易形成相间杂质浓度低根实验发现蓝光非常微弱饱认施级插入杂质n型氮化镓蓝光发射研究样蓝光发射机制施发射没足够证证明蓝光发射终状态者确定蓝光发射施受型施价带发射峰值位移温度赖性需进步研究实验条件限制目前尚进行种实验研究样品没掺杂缺陷态固元素杂质
430450nm激发光谱表明导带激发效率（禁带宽度370nm）低带激励意味着相应蓝光发射传导引起渡发射机制供体发射价带供体受体（DA）渡480nm激发光谱表明导带激发带激励更效认种假象黄色发光带带尾实蓝色发光带尾重叠黄光发射效率远远蓝色光认480nm激发光谱黄色带尾态影响示430450480ｎｍ处探测样品激发谱
23 pGaNnGaN
目前载流子浓度霍尔测量单层材料测量装置pGaN时单层材料果找测量装置结构pGaN载流子浓度验证霍尔测量方法装置制备更益提出测量pGaN载流子浓度新方法长期短期PN +结构GaN探测器量子效率波反偏置电压寻找偏置电压时pGaN层完全耗间偏置电压pGaN层载流子浓度仿真结果证明该思想正确性受pGaN层厚度影响测量精度pGaN厚度浓度间关系研究表面复合速率出实际pGaN样品测量指导意见GaN材料称第三代半导体光电子微电子领域着重应年努力氮化镓基半导体器件[ 1 ]方面取重突破研制高性蓝光绿光二极蓝光激光器紫外探测器等特高亮度LED已商业化p型掺杂GaN材料实现器件发展发展起着非常重作准确测量p载流子浓度器件设计制备中起着非常重作
测量pGaN浓度装置结构基思想测量pGaN载流子浓度p +检测器结构该装置结构包括层欧姆接触层n + GaNpGaN源层光响应范围紫外线光前面射器件光电子空穴pGaN层产生然光电子空穴电场作产生空间分离然形成光电流相信PN +探测器结构光谱响应测量薄膜载流子浓度基思路：种结构中入射光吸收pGaN层吸收系数pGaN层波长光穿透深度果pGaN层没完全耗量子效率零偏压长波短波（响应）会较差距着反偏压增加两波长差距逐渐缩量子效率果pGaN层完全耗差距达稳定值反偏压继续升变化种差基没什
图2：非参杂GaN激光光谱
文仿真n+载流子浓度厚度固定5×1018cm31μmpGaN层浓度GaN层仿真结果表明载波浓度设定值相差证实该思想正确性研究表面复合速率影响测量厚度pGaN层浓度容易果电压发现完全筋疲力找pGaN层载流子浓度证明认正确利PN +探测器结构进行测量宾夕法尼亚学AMPS软件模拟分析[ 12 ]素描pGaN载流子浓度新方法通求解泊松方程连续性方程软件获取设备物理特性特殊半导体器件分析光伏器件[ 13 15 ]然强工具
3 掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响模拟计算结果讨
31 长波短波处探测器量子效率
模拟计算中首先假设pGaN层载流子浓度厚度1×1017cm303μm分表面复合速率1×105cm 计算反应谱PN +结构探测器反偏压0～20V结果表明响应光谱装置反偏置电压02468v出反应谱形状变化反偏压增加2V长波短波降低量子效率间差异量子效率降率着波长减着反偏压进步增波长量子效率降低响应谱形状趋滑0V偏压长波短波非常量子效率间差异着波长减量子效率降低更明显
入射波长361nm0V偏压量子效率06198着反偏压增加量子效率逐渐增加反电压增加6V量子效率06516反电压进步增加量子效率没什变化入射波长250nm0V偏压量子效率05910着反偏压增加量子效率逐渐增加反电压增加6V量子效率06925反偏压断增加量子效率达变化稳定价值反偏压增加6V反应谱形状光滑反偏压继续增加8V光谱形状基变进步研究性质反应谱pn +结构GaN探测器反偏置电压02468V长短波长探测器量子效率结果表明该装置361250nm量子效率取决反偏置电压
根物理N +结耗区集中附n +侧pGaN层GaN层0V偏压耗层宽度较250nm处光子穿透深度浅量表吸收光生电子空穴表面产生光子相远离现场光生电子电场传播前复合关闭边缘种器件量子效率较波长光子361nm穿透深度深量光生电子空穴电场区域产生旦产生光生电子空穴快强建电场分光电流外外电场光生电子产电场部分够扩散光电区形成流场样器件量子效率较0V偏压
入射光波长361250nm处器件量子效率反偏压变化关系注意趣现象0V偏压入射光波长250nm时量子效率入射光波长361nm量子效率着反偏压增加入射光波长250nm量子效率增加更快2V偏压两者已差反偏压继续增加时250nm处器件量子效率已超361nm处量子效率6V偏压达稳定值时250nm361nm处量子效率分0692506198250nm处表现出量子效率更高吸收系数光子量关系表达式[16] 容易pGaN层250nm361nm光子均渗透深度0036μm026μm分装置pGaN层厚度03米容易波长361nm光子穿透深度基厚度相波长250nm光子穿透深度浅
32 差值影响规律
反偏压增加耗区宽度增进步扩展pGaN层表面时入射光250nm更光生电子扩散该区域边缘电灯电流361nm入射光形成光生载流子够形成光电流充足耗区进步扩展表面增加器件量子效率明显果表面复合速率高250nm处入射光产生光生电流361nm入射光形成光电流更果361nm光250nm处电流相减差应该类似规
长波361nm量子效率（定义η1）短波250nm量子效率（定义0者间差异（ETA）定义Δηηη1 0）外部反偏置反电压0V361nm 250Nm量子效率价值三角洲着反偏压增加差异逐渐减轻趋势反电压增加约6V趋稳定值继续增加反偏置三角洲ETA没改变0V偏压耗区宽度较中部分集中附n +侧pGaN层GaN着反偏置电压增加耗区逐渐扩展pGaN层表层入射光两波长处产生光电流会增加250nm光子穿透深度浅增加更明显整pGaN层完全耗光电流差距达稳定值偏置电压继续增加长短波光会作pGaN层已完全耗显著变化间差距说δδ变化曲线表观量子效率形成界点（拐点）时超界点时差异会显著变化界点电压施加反偏压时pGaN层精疲力竭
pGaN层外部偏置约 6V时筋疲力确认 6VpGaN层完全耗计算电场分布反偏压结构出0V偏置耗区宽度02米左右集中N + pGaN层GaN身边表面区域pGaN层会枯竭反偏压增加2V4V耗区宽度增加027μm分pGaN层耗区逐渐扩表面区域反偏压增 6V偏压耗区宽度03μm扩展整pGaN层反偏压增8V整耗区电场强度进步增加耗区宽度没增加
装置结构测出器件量子效率pGaN表面复合率非常高表面复合影响果表面复合速率低pGaN层完全耗光生载流子电场光生载流子绝部分会形成光电流甚继续反偏压增加电场强度进步增强光生电子孔分离空间效率会受明显影响表面复合率时情况时电子空穴空间分离容易受电场强度影响
电场分布计算结果表明pGaN层完全耗 6V偏压关系361nm250nm间短波量子效率值Δη施加反偏置（反偏置0 2 4 6 8v电场分布）根关系耗层宽度反偏置容易计算出pGaN层载流子浓度计算公式：[ 17 ] NA 2 E S（VR + QW2 VBI）（1）NA pGaN层载流子浓度W耗区宽度中W 6V偏压等03 mq电子电荷SεGaN材料介电常数等89×8854×1012fm1VBI GaN pn +置势垒约等3VVR反BIA学中VR6V载流子浓度pGaN层根计算公式98×1016cm3值非常接设置计算1×1017cm3值说明提出想法正确合理应该种测量pGaN层载流子浓度新方法霍尔测量补充相互验证进步提高测量精度测量性研究
33 掺杂浓度界点反偏压误差影响
时pGaN层完全耗时然光生电子空穴处电场区受表面复合影响光生电子空穴复合掉形成光电流着反偏压增加电场强度增光生电子空穴空间分离效果会更样量子效率会增加长波短波处量子效率差值Δη会受表面复合速率影响更高反偏压Δη达稳定值显然时表面复合速率pGaN层载流子浓度测量会造成影响进步确定表面复合速率pGaN层载流子浓度测量影响研究表面复合速率Δη反偏压关系
表面复合速率分1×105cms1×1010cms时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系表面复合速率1×105cms情况界点电压6V左右说pGaN层6V偏压完全耗表面复合速率1×1010cms时界点电压10V左右说时认pGaN层10V偏压完全耗界点电压会测量带误差表面复合速率分1×105cms1×1010cms时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系两界点电压根(1)式计算出pGaN层载流子浓度面已计算表面复合速率1×105cms情况界点电压6V左右时计算出pGaN层载流子浓度98×1016cm3非常接设定值10×1017cm3表面复合速率1×1010cms情况界点电压10V左右时根述公式计算出pGaN层载流子浓度具体14×1017cm3值接设定值稍微偏点点然接受范围
通研究欧姆接触坏测量影响电极pGaN层接触势垒高度长波短波量子效率差值Δη反偏压关系中圆形点表示接触势垒高度0情况时欧姆接触非常三角形点表示接触势垒高度08eV时情况时欧姆接触非常差形成势垒高度较高肖特基接触
果pGaN层选择厚度太厚结果高反偏压pGaN层完全耗时器件漏电已较[18]样难准确出刚完全耗时反偏压值pGaN层厚度选稍微薄点样较反偏压完全耗测量程中受反漏电干扰会减
结果说明pGaN层表面复合速率高情况种方法测量pGaN层载流子浓度信金属电极pGaN层接触势垒高度分008eV时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系实际pGaN测量中常遇问题pGaN欧姆接触非常难做然pGaN霍尔测量中重误差源Δη反偏压关系欧姆接触坏界点电压值6V左右完全相见种方法受欧姆接触影响非常欧姆接触非常情况种方法测量pGaN载流子浓度值原解释金属电极pGaN间肖特基接触建电场pn+结建电场相反器件外加反偏压时pn+结处反偏金属电极pGaN层间形成肖特基结处正偏状态着反偏压增加肖特基结处正偏状态绝部分偏压加pn+结pGaN层刚完全耗时电压肖特基结关系
文计算结果pGaN载流子浓度1×1017cm3左右时厚度选择03—05μm范围较合适然pGaN层厚度较薄时研究pGaN层厚度02μm时响应光谱计算发现0V偏压361nm250nm入射光表现出量子效率已相差着反偏压增加没什变化0V偏压耗区宽度接pGaN层厚度样难找界点电压
采提出方法测量pGaN层载流子浓度时欧姆接触坏测量结果影响特入射光波长361nm250nmGaN探测器应量子效率差值Δη外加反偏压关系(中pGaN层厚度分030507μm)实际测试中适选取pGaN层厚度非常重厚度直接会影响界点电压影响测量精度文研究pGaN层刚完全耗时界反偏压厚度关系入射光波长361nm250nm应量子效率差值Δη外加反偏压关系中pGaN层厚度分030507μmpGaN层厚度03μm时反电压界点约6VpGaN层厚度05μm时反电压界点约22VpGaN层厚度07μm时反电压界点约46V出界点电压pGaN层厚度关系着pGaN层厚度增加界点电压迅速增加pGaN层厚度较薄时着反偏压增加耗区宽度增加电场区快扩展pGaN层表面处较偏压pGaN层完全耗Δη快达稳定值厚度较时耗区宽度载流子浓度相关着反偏压增加耗区离pGaN层表面区域段距离样较高反偏压耗区完全扩展整pGaN层样pGaN层刚完全耗时反偏压值较8pGaN刚完全耗时界点电压pGaN层厚度关系实际测量响应光谱实验中器件会受反漏电影响反漏电越噪声越会干扰实验结果
四 pGaN层载流子浓度耗区宽度关系
述结果假设pGaN层载流子浓度1×1017cm3进行计算实际材料生长时pGaN层浓度定值附述原理知道响应光谱中长波短波差必须0V偏压耗区离pGaN层表面区域定距离样着反偏压增加电场区逐步表面扩展完全耗想象pGaN层载流子浓度较高时候耗区宽度较样pGaN较薄情况0V偏压耗区离表面定距离反pGaN层载流子浓度较低时候耗区宽度较样pGaN较厚情况0V偏压耗区离表面定距离
外考虑量反偏压较条件pGaN层完全耗样受漏电影响会较pGaN层厚度太厚9pGaN层载流子浓度分1×10165×10161×10175×1017cm3时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系(中应pGaN层厚度分080503015μm)般说pGaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm3范围 载流子浓度范围厚度pn+结构探测器界点电压示pGaN层载流子浓度分1×10165×10161×10175×1017cm3时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系中应pGaN层厚度分080503015μm出种厚度条件Δη着反偏变化着反偏压增加Δη先减然逐步达稳定值
pGaN层载流子浓度分1×10165×10161×10175×1017cm3时应刚完全耗时反偏压分5V10V6V9V通计算pGaN层载流子浓度分12×101651×101698×101652×1017cm3设定值非常接说明条件测量值准确
理想情况250nm波长量子效率反 偏置确定反电压完全耗pGaN层载流子浓度事实直接间关系仿真结果证实点特电压界点认实际情况更复杂果氮化镓材料缺陷密度较高光生载流子空间分离效率会强烈赖电场强度
然pGaN层完全枯竭加偏置电压器件量子效率会继续增加定程度种情况果250nm处量子效率反偏压关系确定全力反电压时会较错误果长波短波361nm 250nm量子效率差异361nm光子会遇样问题降低误差降低
长波361nm量子效率短波20250差异确定界点反偏置误差会更较优化pGaN层厚度浓度关系计算结果出述条件pn+结构探测器观察量子效率差值Δη反偏压变化明显出pGaN层完全耗时偏压界电压值10V应该说述浓度应厚度较优化Δη变化较低反偏压实现pGaN层完全耗
注意pGaN层浓度应较优pGaN层厚度出较优化pGaN层厚度浓度关系着载流子浓度增加pGaN层优化厚度值迅速减pGaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm3范围时选择pGaN优化厚度约08—015μm范围载流子浓度越高应pGaN层优化厚度越实际测量程中尝试结合pGaN层厚度厚度考虑选择合适厚度设备更精确结果波长选择目前GaN材料外延生长生长条件底物底物浓度会导致偏移GaN带边波长选择模拟361nm长波长特定波长实际选择附带边峰短波短暂点250nm应满足基求
五 结
模拟计算结果验证思想表面复合速率欧姆接触情况pGaN层厚度实际测量结果影响进行研究计算pGaN层浓度时佳厚度选择结果表明pGaN层优化厚度值着pGaN层浓度增加减pGaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm3时应pGaN优化厚度约08—015μm范围*种测量pGaN载流子浓度方法提出种测量pGaN载流子浓度方法思想利pn+结构GaN探测器长波短波量子效率差值反偏压变化关系找pGaN层刚完全耗时偏压求出pGaN层载流子浓度
模拟计算表明该方法够准确测量出pGaN层载流子浓度受表面复合欧姆接触影响进步研究实际测量中选择pGaN层厚度计算结果表明pGaN层优化厚度值着pGaN层浓度增加减恒定电场作载流子均漂移速度取定数值意味着半导体中载流子受阻力断加速事实半导体材料中某种原产生载流子处规热运动外加电压时导体部载流子受电场力作做定运动形成电流漂移电流定运动速度成漂移速度方载流子类型决定电场载流子均漂移速度v 电场强度E 成正：式中μ载流子漂移迁移率简称迁移率表示单位电场载流子均漂移速度单位m2／Vscm2／Vs文提出种利pn+结构GaN探测器响应光谱测量pGaN层载流子浓度方法该方法考虑器件量子效率长波短波差值着反偏压变化然找pGaN刚完全耗时偏压pGaN层载流子浓度
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摘
载流子热运动程中载流子晶格杂质缺陷断碰撞散射方发生规变化机晶体理想晶体机半导体质定形晶格散射电离杂质散射存载流子迁移率定数值迁移率衡量半导体导电性重参数决定半导体材料导电性影响器件工作速度n型GaNp型GaN迁移率反映半导体导电性重参数相掺杂浓度载流子迁移率越时半导体材料导电率越高迁移率仅电导率强弱关直接决定着载体运动速度直接影响半导体器件工作速度文研究掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响
关键词： 掺杂浓度 nGaN pGaN 载流子浓度 迁移率 影响
目 录
引言 2
GaN族载流子浓度 2
11 GaN族载流子浓度提高降低 2
12 辐产生氮空位破坏耗区两侧电荷衡 3
二 nGaNpGaN载流子浓度测量 3
21 高温电子辐检测 3
22 蓝带低密度饱机理分析 5
23 pGaNnGaN 6
3 掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响模拟计算结果讨 8
31 长波短波处探测器量子效率 8
32 差值影响规律 9
33 掺杂浓度界点反偏压误差影响 10
四 pGaN层载流子浓度耗区宽度关系 12
五 结 14
引言
GaN种重ⅢⅤ族半导体材料制备蓝光紫外波段半导体发光器件理想材料目前广泛掺杂技术镁选择p型氮化镓材料GaN生长程中Mg结合高温生长气氛氨分解产生氢形成MgH复合体必高温直接退火激活镁获较高p电导率[ 2 ]迄止优良p型导电GaN获进步研究解决难题GaN中杂质缺陷强烈影响电学性质深入研究具重意义
GaN族载流子浓度
11 GaN族载流子浓度提高降低
目前外GaN缺少理想晶格匹配衬底材料生长存严重晶格失配致GaN体材料中较缺陷密度[4]缺陷般认施性质[1]pGaN中补偿部分受导致pGaN中载流子浓度降低[5]具优异化学物理稳定性禁带宽度1962eV室温中实现蓝光紫光发射光电子学领域具广阔应前景[ 1～3 ]氮化镓身物理性质决定两种方法接首先GaN禁带宽度34eV电子亲势41eV较肖特基势垒pGaN金属间次CO杂质吸附pGaN表面高温处理材料生长退火程中会形成层绝缘金属电极氮化镓材料间形成附加势垒接触势垒高度增加
研究表明金属电极工作功非金属材料空穴浓度外非金属材料欧姆接触材料表面状态密切相关许国际研究组通湿表面处理改变样品表面物理化学状态低电阻p型欧姆接触（6～8）然目前尚缺乏中国氮化镓材料物理性化学性报告外缺乏理想晶格匹配衬底GaN材料生长中存严重晶格失配导致GaN体材料中存较缺陷密度（4）缺陷通常认[ 1 ]供性弥补pGaN受体部分导致[ 5 ] pGaN载流子浓度降低外pGaN受体钝化存[ 1 ]空穴浓度低pGaN材料氮化镓电子浓度（1018结构）
12 辐产生氮空位破坏耗区两侧电荷衡
研究pGaN表面状态欧姆接触特性影响采X射线光电子谱(XPS)俄歇电子谱(AES)等表面分析手段pGaN材料表面进行分析样品制作金属电极IV特性进行测试然通分析样品表面镓氮元素化学(GaN)CO含量样品电极接触特性探讨GaN表面物理化学特性金属电极接触特性间联系
界面状态影响击穿电压降低注意未加保护环表面没钝化层耗区电场横分布会影响击穿电压耗区电场强度横分布会产生电场表面表面部分击穿电压影响容忽视曲率半径越电场强度越曲率半径部分电场强度达击穿界电场强度时首先击穿该部分降低肖特基结击穿电压辐引起氮空位破坏耗区两侧电荷衡导致电场强度增击穿电压降低
般认原子位移需较高温度退火恢复界面状态击穿电压影响时100℃退火恢复反击穿电压实验结果表明100℃左右辐助减辐肖特基势垒二极影响约100摄氏度射诱导缺陷产生退火恢复[ 8 ]时间异质激光二极高温辐射[ 9 ]材料设备观察外观高温界面缺陷消失[ 10 ] [ 11 ]
结果表明氮化镓肖特基势垒二极辐射损伤100℃左右辐射GaN基器件高温工作该器件工作100℃提高辐射损伤阈值曲率部分易受辐诱导空位影响击穿电压降低辐射产生晶格缺陷导致肖特基端击穿软击穿认界面缺陷原子间粘结断裂位移断裂需量原子位移需量低温退火断裂粘结恢复
二 nGaNpGaN载流子浓度测量
21 高温电子辐检测
定量电子辐样品检测较长波长紫外光见光然样品见光灵敏度着反漏电流减样品见光灵敏度降低见光暗电流暗电流差异减见光光电流减研究高温电子辐GaN肖特基势垒紫外光探测器光敏性影响讨荧光灯温度100次辐温度样品电流电压特性射前样品探测254nm紫外光
反电压10V射光暗电流差注射量注入量达5×1015e 方厘米光暗电流差较光暗电流差100 C结果射反电压10V磁通量变化相致GaN材料禁带宽度34eV相应365nm长波极限254nm紫外线光子量488ev量远远GaN禁带宽度
254nm紫外光射样品时GaN价带电子吸收足够量光子跃迁导带见光(波长范围430690nm应光子量17731eV中波长4358nm光强强相应光子量284eV)言光子量远GaN禁带宽度没足够量跃迁产生光电流
22 蓝带低密度饱机理分析
研究Ｓｉ掺杂ｎ型ＧａＮ黄色发光起源时提弱蓝光发射蓝光发射机理未进行研究文非掺杂ｎ型ＧａＮ蓝光发射进行研究发光机制出合理解释1 ＧａＮ样品光谱仪简介文实验研究样品美国坎萨斯州立学(ＫａｎｓａｓＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)提供采ＭＯＣＶＤ方法制备生长宝石衬底非掺杂ＧａＮ样品膜厚约15μｍ电子密度10×1017ｃｍ3
关n型氮化镓黄光发射研究报道发光机理浅施跃迁辐射复合镓空位氮位配合物生成黄河带密度非常容易饱检测样品430450480nm激发光谱显示第激发态电子转移导带中蓝色发光带直蓝带水饱然余激发电子黄色发光带转移低浓度蓝光饱量剩余电子发射黄光黄较弱激发电子全部变成蓝色蓝色黄光强
推断蓝色发光级密度低容易饱黄色发光层密度易饱导带中激发电子蓝带传输速率速率远远黄色传输速率F4500型光谱仪应日立动光栅光谱仪生产试验激发波长选择扫描荧光光谱扫描计算机动控制波长扫描重复误差2nmGaN样品激发光谱结构波长光谱值检测波长侧标发光机理分析表明黄色发光强度峰值550nm波长取决激发强度427 ~ 496nm波长范围激发强度赖蓝色发光强度强弱谱激发强度增加20倍黄色发射强度急剧增加然蓝带发光强度相果232m3m光谱表明激发光强衰减3倍时着蓝光发射强度衰减黄色发光强度衰减较蓝色强度强度较弱
图1：电极制备完样品结构
GaN产生缺陷镓空位（VGA）氮空位（VN）氮氧代（）氧氮氢站间杂质镓通层量理计算结果表明：（6）n GaN中容易生成3种缺陷间质杂质易形成相间杂质浓度低根实验发现蓝光非常微弱饱认施级插入杂质n型氮化镓蓝光发射研究样蓝光发射机制施发射没足够证证明蓝光发射终状态者确定蓝光发射施受型施价带发射峰值位移温度赖性需进步研究实验条件限制目前尚进行种实验研究样品没掺杂缺陷态固元素杂质
430450nm激发光谱表明导带激发效率（禁带宽度370nm）低带激励意味着相应蓝光发射传导引起渡发射机制供体发射价带供体受体（DA）渡480nm激发光谱表明导带激发带激励更效认种假象黄色发光带带尾实蓝色发光带尾重叠黄光发射效率远远蓝色光认480nm激发光谱黄色带尾态影响示430450480ｎｍ处探测样品激发谱
23 pGaNnGaN
目前载流子浓度霍尔测量单层材料测量装置pGaN时单层材料果找测量装置结构pGaN载流子浓度验证霍尔测量方法装置制备更益提出测量pGaN载流子浓度新方法长期短期PN +结构GaN探测器量子效率波反偏置电压寻找偏置电压时pGaN层完全耗间偏置电压pGaN层载流子浓度仿真结果证明该思想正确性受pGaN层厚度影响测量精度pGaN厚度浓度间关系研究表面复合速率出实际pGaN样品测量指导意见GaN材料称第三代半导体光电子微电子领域着重应年努力氮化镓基半导体器件[ 1 ]方面取重突破研制高性蓝光绿光二极蓝光激光器紫外探测器等特高亮度LED已商业化p型掺杂GaN材料实现器件发展发展起着非常重作准确测量p载流子浓度器件设计制备中起着非常重作
测量pGaN浓度装置结构基思想测量pGaN载流子浓度p +检测器结构该装置结构包括层欧姆接触层n + GaNpGaN源层光响应范围紫外线光前面射器件光电子空穴pGaN层产生然光电子空穴电场作产生空间分离然形成光电流相信PN +探测器结构光谱响应测量薄膜载流子浓度基思路：种结构中入射光吸收pGaN层吸收系数pGaN层波长光穿透深度果pGaN层没完全耗量子效率零偏压长波短波（响应）会较差距着反偏压增加两波长差距逐渐缩量子效率果pGaN层完全耗差距达稳定值反偏压继续升变化种差基没什
图2：非参杂GaN激光光谱
文仿真n+载流子浓度厚度固定5×1018cm31μmpGaN层浓度GaN层仿真结果表明载波浓度设定值相差证实该思想正确性研究表面复合速率影响测量厚度pGaN层浓度容易果电压发现完全筋疲力找pGaN层载流子浓度证明认正确利PN +探测器结构进行测量宾夕法尼亚学AMPS软件模拟分析[ 12 ]素描pGaN载流子浓度新方法通求解泊松方程连续性方程软件获取设备物理特性特殊半导体器件分析光伏器件[ 13 15 ]然强工具
3 掺杂浓度nGaNpGaN载流子浓度迁移率影响模拟计算结果讨
31 长波短波处探测器量子效率
模拟计算中首先假设pGaN层载流子浓度厚度1×1017cm303μm分表面复合速率1×105cm 计算反应谱PN +结构探测器反偏压0～20V结果表明响应光谱装置反偏置电压02468v出反应谱形状变化反偏压增加2V长波短波降低量子效率间差异量子效率降率着波长减着反偏压进步增波长量子效率降低响应谱形状趋滑0V偏压长波短波非常量子效率间差异着波长减量子效率降低更明显
入射波长361nm0V偏压量子效率06198着反偏压增加量子效率逐渐增加反电压增加6V量子效率06516反电压进步增加量子效率没什变化入射波长250nm0V偏压量子效率05910着反偏压增加量子效率逐渐增加反电压增加6V量子效率06925反偏压断增加量子效率达变化稳定价值反偏压增加6V反应谱形状光滑反偏压继续增加8V光谱形状基变进步研究性质反应谱pn +结构GaN探测器反偏置电压02468V长短波长探测器量子效率结果表明该装置361250nm量子效率取决反偏置电压
根物理N +结耗区集中附n +侧pGaN层GaN层0V偏压耗层宽度较250nm处光子穿透深度浅量表吸收光生电子空穴表面产生光子相远离现场光生电子电场传播前复合关闭边缘种器件量子效率较波长光子361nm穿透深度深量光生电子空穴电场区域产生旦产生光生电子空穴快强建电场分光电流外外电场光生电子产电场部分够扩散光电区形成流场样器件量子效率较0V偏压
入射光波长361250nm处器件量子效率反偏压变化关系注意趣现象0V偏压入射光波长250nm时量子效率入射光波长361nm量子效率着反偏压增加入射光波长250nm量子效率增加更快2V偏压两者已差反偏压继续增加时250nm处器件量子效率已超361nm处量子效率6V偏压达稳定值时250nm361nm处量子效率分0692506198250nm处表现出量子效率更高吸收系数光子量关系表达式[16] 容易pGaN层250nm361nm光子均渗透深度0036μm026μm分装置pGaN层厚度03米容易波长361nm光子穿透深度基厚度相波长250nm光子穿透深度浅
32 差值影响规律
反偏压增加耗区宽度增进步扩展pGaN层表面时入射光250nm更光生电子扩散该区域边缘电灯电流361nm入射光形成光生载流子够形成光电流充足耗区进步扩展表面增加器件量子效率明显果表面复合速率高250nm处入射光产生光生电流361nm入射光形成光电流更果361nm光250nm处电流相减差应该类似规
长波361nm量子效率（定义η1）短波250nm量子效率（定义0者间差异（ETA）定义Δηηη1 0）外部反偏置反电压0V361nm 250Nm量子效率价值三角洲着反偏压增加差异逐渐减轻趋势反电压增加约6V趋稳定值继续增加反偏置三角洲ETA没改变0V偏压耗区宽度较中部分集中附n +侧pGaN层GaN着反偏置电压增加耗区逐渐扩展pGaN层表层入射光两波长处产生光电流会增加250nm光子穿透深度浅增加更明显整pGaN层完全耗光电流差距达稳定值偏置电压继续增加长短波光会作pGaN层已完全耗显著变化间差距说δδ变化曲线表观量子效率形成界点（拐点）时超界点时差异会显著变化界点电压施加反偏压时pGaN层精疲力竭
pGaN层外部偏置约 6V时筋疲力确认 6VpGaN层完全耗计算电场分布反偏压结构出0V偏置耗区宽度02米左右集中N + pGaN层GaN身边表面区域pGaN层会枯竭反偏压增加2V4V耗区宽度增加027μm分pGaN层耗区逐渐扩表面区域反偏压增 6V偏压耗区宽度03μm扩展整pGaN层反偏压增8V整耗区电场强度进步增加耗区宽度没增加
装置结构测出器件量子效率pGaN表面复合率非常高表面复合影响果表面复合速率低pGaN层完全耗光生载流子电场光生载流子绝部分会形成光电流甚继续反偏压增加电场强度进步增强光生电子孔分离空间效率会受明显影响表面复合率时情况时电子空穴空间分离容易受电场强度影响
电场分布计算结果表明pGaN层完全耗 6V偏压关系361nm250nm间短波量子效率值Δη施加反偏置（反偏置0 2 4 6 8v电场分布）根关系耗层宽度反偏置容易计算出pGaN层载流子浓度计算公式：[ 17 ] NA 2 E S（VR + QW2 VBI）（1）NA pGaN层载流子浓度W耗区宽度中W 6V偏压等03 mq电子电荷SεGaN材料介电常数等89×8854×1012fm1VBI GaN pn +置势垒约等3VVR反BIA学中VR6V载流子浓度pGaN层根计算公式98×1016cm3值非常接设置计算1×1017cm3值说明提出想法正确合理应该种测量pGaN层载流子浓度新方法霍尔测量补充相互验证进步提高测量精度测量性研究
33 掺杂浓度界点反偏压误差影响
时pGaN层完全耗时然光生电子空穴处电场区受表面复合影响光生电子空穴复合掉形成光电流着反偏压增加电场强度增光生电子空穴空间分离效果会更样量子效率会增加长波短波处量子效率差值Δη会受表面复合速率影响更高反偏压Δη达稳定值显然时表面复合速率pGaN层载流子浓度测量会造成影响进步确定表面复合速率pGaN层载流子浓度测量影响研究表面复合速率Δη反偏压关系
表面复合速率分1×105cms1×1010cms时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系表面复合速率1×105cms情况界点电压6V左右说pGaN层6V偏压完全耗表面复合速率1×1010cms时界点电压10V左右说时认pGaN层10V偏压完全耗界点电压会测量带误差表面复合速率分1×105cms1×1010cms时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系两界点电压根(1)式计算出pGaN层载流子浓度面已计算表面复合速率1×105cms情况界点电压6V左右时计算出pGaN层载流子浓度98×1016cm3非常接设定值10×1017cm3表面复合速率1×1010cms情况界点电压10V左右时根述公式计算出pGaN层载流子浓度具体14×1017cm3值接设定值稍微偏点点然接受范围
通研究欧姆接触坏测量影响电极pGaN层接触势垒高度长波短波量子效率差值Δη反偏压关系中圆形点表示接触势垒高度0情况时欧姆接触非常三角形点表示接触势垒高度08eV时情况时欧姆接触非常差形成势垒高度较高肖特基接触
果pGaN层选择厚度太厚结果高反偏压pGaN层完全耗时器件漏电已较[18]样难准确出刚完全耗时反偏压值pGaN层厚度选稍微薄点样较反偏压完全耗测量程中受反漏电干扰会减
结果说明pGaN层表面复合速率高情况种方法测量pGaN层载流子浓度信金属电极pGaN层接触势垒高度分008eV时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系实际pGaN测量中常遇问题pGaN欧姆接触非常难做然pGaN霍尔测量中重误差源Δη反偏压关系欧姆接触坏界点电压值6V左右完全相见种方法受欧姆接触影响非常欧姆接触非常情况种方法测量pGaN载流子浓度值原解释金属电极pGaN间肖特基接触建电场pn+结建电场相反器件外加反偏压时pn+结处反偏金属电极pGaN层间形成肖特基结处正偏状态着反偏压增加肖特基结处正偏状态绝部分偏压加pn+结pGaN层刚完全耗时电压肖特基结关系
文计算结果pGaN载流子浓度1×1017cm3左右时厚度选择03—05μm范围较合适然pGaN层厚度较薄时研究pGaN层厚度02μm时响应光谱计算发现0V偏压361nm250nm入射光表现出量子效率已相差着反偏压增加没什变化0V偏压耗区宽度接pGaN层厚度样难找界点电压
采提出方法测量pGaN层载流子浓度时欧姆接触坏测量结果影响特入射光波长361nm250nmGaN探测器应量子效率差值Δη外加反偏压关系(中pGaN层厚度分030507μm)实际测试中适选取pGaN层厚度非常重厚度直接会影响界点电压影响测量精度文研究pGaN层刚完全耗时界反偏压厚度关系入射光波长361nm250nm应量子效率差值Δη外加反偏压关系中pGaN层厚度分030507μmpGaN层厚度03μm时反电压界点约6VpGaN层厚度05μm时反电压界点约22VpGaN层厚度07μm时反电压界点约46V出界点电压pGaN层厚度关系着pGaN层厚度增加界点电压迅速增加pGaN层厚度较薄时着反偏压增加耗区宽度增加电场区快扩展pGaN层表面处较偏压pGaN层完全耗Δη快达稳定值厚度较时耗区宽度载流子浓度相关着反偏压增加耗区离pGaN层表面区域段距离样较高反偏压耗区完全扩展整pGaN层样pGaN层刚完全耗时反偏压值较8pGaN刚完全耗时界点电压pGaN层厚度关系实际测量响应光谱实验中器件会受反漏电影响反漏电越噪声越会干扰实验结果
四 pGaN层载流子浓度耗区宽度关系
述结果假设pGaN层载流子浓度1×1017cm3进行计算实际材料生长时pGaN层浓度定值附述原理知道响应光谱中长波短波差必须0V偏压耗区离pGaN层表面区域定距离样着反偏压增加电场区逐步表面扩展完全耗想象pGaN层载流子浓度较高时候耗区宽度较样pGaN较薄情况0V偏压耗区离表面定距离反pGaN层载流子浓度较低时候耗区宽度较样pGaN较厚情况0V偏压耗区离表面定距离
外考虑量反偏压较条件pGaN层完全耗样受漏电影响会较pGaN层厚度太厚9pGaN层载流子浓度分1×10165×10161×10175×1017cm3时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系(中应pGaN层厚度分080503015μm)般说pGaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm3范围 载流子浓度范围厚度pn+结构探测器界点电压示pGaN层载流子浓度分1×10165×10161×10175×1017cm3时长波短波量子效率差值Δη反偏压关系中应pGaN层厚度分080503015μm出种厚度条件Δη着反偏变化着反偏压增加Δη先减然逐步达稳定值
pGaN层载流子浓度分1×10165×10161×10175×1017cm3时应刚完全耗时反偏压分5V10V6V9V通计算pGaN层载流子浓度分12×101651×101698×101652×1017cm3设定值非常接说明条件测量值准确
理想情况250nm波长量子效率反 偏置确定反电压完全耗pGaN层载流子浓度事实直接间关系仿真结果证实点特电压界点认实际情况更复杂果氮化镓材料缺陷密度较高光生载流子空间分离效率会强烈赖电场强度
然pGaN层完全枯竭加偏置电压器件量子效率会继续增加定程度种情况果250nm处量子效率反偏压关系确定全力反电压时会较错误果长波短波361nm 250nm量子效率差异361nm光子会遇样问题降低误差降低
长波361nm量子效率短波20250差异确定界点反偏置误差会更较优化pGaN层厚度浓度关系计算结果出述条件pn+结构探测器观察量子效率差值Δη反偏压变化明显出pGaN层完全耗时偏压界电压值10V应该说述浓度应厚度较优化Δη变化较低反偏压实现pGaN层完全耗
注意pGaN层浓度应较优pGaN层厚度出较优化pGaN层厚度浓度关系着载流子浓度增加pGaN层优化厚度值迅速减pGaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm3范围时选择pGaN优化厚度约08—015μm范围载流子浓度越高应pGaN层优化厚度越实际测量程中尝试结合pGaN层厚度厚度考虑选择合适厚度设备更精确结果波长选择目前GaN材料外延生长生长条件底物底物浓度会导致偏移GaN带边波长选择模拟361nm长波长特定波长实际选择附带边峰短波短暂点250nm应满足基求
五 结
模拟计算结果验证思想表面复合速率欧姆接触情况pGaN层厚度实际测量结果影响进行研究计算pGaN层浓度时佳厚度选择结果表明pGaN层优化厚度值着pGaN层浓度增加减pGaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm3时应pGaN优化厚度约08—015μm范围*种测量pGaN载流子浓度方法提出种测量pGaN载流子浓度方法思想利pn+结构GaN探测器长波短波量子效率差值反偏压变化关系找pGaN层刚完全耗时偏压求出pGaN层载流子浓度
模拟计算表明该方法够准确测量出pGaN层载流子浓度受表面复合欧姆接触影响进步研究实际测量中选择pGaN层厚度计算结果表明pGaN层优化厚度值着pGaN层浓度增加减恒定电场作载流子均漂移速度取定数值意味着半导体中载流子受阻力断加速事实半导体材料中某种原产生载流子处规热运动外加电压时导体部载流子受电场力作做定运动形成电流漂移电流定运动速度成漂移速度方载流子类型决定电场载流子均漂移速度v 电场强度E 成正：式中μ载流子漂移迁移率简称迁移率表示单位电场载流子均漂移速度单位m2／Vscm2／Vs文提出种利pn+结构GaN探测器响应光谱测量pGaN层载流子浓度方法该方法考虑器件量子效率长波短波差值着反偏压变化然找pGaN刚完全耗时偏压pGaN层载流子浓度
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