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GaN外延片中载流子浓度的纵向分布[1]

2014-4-2  来源:(1.南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心;2.江西方大福科信息材料有限公司)  作者:方文卿 李述体 刘和初 江风益  有6957人阅读

采用适合宽禁带半导体材料的电化学电容电压(ECV)分析仪,对掺硅GaN外延片用硫酸逐层进行了精密腐蚀后,在此基础上得到了在进口MOCVD设备上生产的GaN基外延片的载流子浓度纵向分布。探讨了该分布与晶体生长过程及晶体质量的关系,测量分析结果可为生长工艺参数的优化提供参考。还采用主扩散模型对测量结果进行高斯拟合,得出了高温时(1030e)硅在GaN中的扩散系数,并由此估算了硅在GaN外延片中的扩散宽度。该结果可为GaN外延层结构设计提供参考。

  1 引 言

  GaN是一种宽禁带直接带隙为3.39eV的半导体材料,既耐高温又抗腐蚀。因其已实现的、潜在的甚至是革命性的商业价值,全球掀起了一股GaN研究热潮[1,2]。一些测试仪器生产厂家也快速推出了相应的新型设备,如ACCENT就推出了适合宽带隙材料的PN4400ECV设备。它不仅可用来测量GaN外延层的纵向载流子浓度分布,它提供的许多其他功能,如I-V、C-V、DP(depletionprofile)等,都能为材料的生长及分析提供许多信息。这些信息如能充分利用并最后和LED芯片结果一一对应起来,这将很有意义。但是,用在GaN上,该仪器又是一种全新的,缺乏经验积累,要做到一一对应有待大量的验证。目前,本文只试图将载流子浓度纵向分布与晶体生长及质量联系起来讨论。众所周知,GaN基LED外延结构中的电子注入层通常是硅掺杂的n型层。随着GaN生长技术的发展,掺硅技术也在改进,如有的厂家在掺硅过程中故意中断掺硅或减少掺硅以形成电流扩展层;有的还在垒层中掺硅。因此,有关硅在GaN中的扩散行为,一直为人们所关心。此外,LED结构中量子阱上面的p型层生长温度很高,在p层生长过程中,硅的扩散宽度是多少?硅会不会穿过量子阱扩散到p层来?垒层中的硅会不会扩散?这些问题都值得认真探讨。但是,由于这种半导体材料刚刚兴起,有关GaN中硅扩散的研究报道非常少。文献[3]采用SIMS研究了在SOI上生长的非故意掺杂GaN中衬底硅向GaN中的扩散问题,推测了扩散机理并讨论了硅扩散对材料性能的影响。测得衬底中的硅向GaN外延层扩散的扩散宽度w约0.5Lm(样品是在940e下生长1h)。文献[4]涉及了GaN/Al2O3界面处氧的扩散行为,使用了ECV测量,结合其他测量方法,认为氧扩散了几百nm。与GaN相对照的是,对GaAs中硅的扩散行为的研究却有大量的文献报道,无论在机理研究、理论计算、还是在各种检测手段的使用等方面都已做了大量的工作[5],这对GaN来讲,都有重要的参考价值。本文通过测量GaN外延层中纵向载流子浓度分布来研究硅的扩散问题。

  2 实 验

  实验样品是在英国THOMASSWAN公司生产的具有密集耦合喷头反应器的生产型MOCVD系统中生长的掺硅GaN外延片,表1为A、B两个样品的生长参数。

  表1 在Al2O3(0001)衬底上MOCVD生长的GaNBSi样品A和B的生长参数

  A、B两个样品主要差别是缓冲层生长工艺不一样。图1为6000s之前的生长工艺图,代表的是相应样品在进口MOCVD设备上生长时,所采用的缓冲层生长工艺。图1并非样品的实时反射率曲线。其中样品A采用了偏离化学计量比的GaN作低温和高温缓冲层,厚度分别为25nm和400nm,在高温缓冲层生长后,进行GaN外延生长。图1样品A的生长曲线中,长时间的低反射率区段对应的就是高Ga的高温缓冲层生长过程。样品B没有采用偏离化学计量比的GaN作低温和高温缓冲层,而是在低温缓冲层重结晶后、直接进行GaN生长。

  图1 MOCVD生长GaN样品A和B所采用的缓冲层工艺

  ECV测量是利用ACCENT公司PN4400ECV分析仪进行的,这是在PN4300PC的基础上增加紫外光照射部分而推出的分析宽带隙材料纵向载流子浓度分布的测试仪。使用3kHz载频测量电容C,使用40Hz的调频测量电容对电压的微分dC/dV。

  GaN是一种耐腐蚀材料,要对其实现一层层均匀剥离是不容易的。我们选用1mol/L的H2SO4为腐蚀液。实验发现,对于自制的具有完整LED结构的外延层偶尔可得到均匀腐蚀;对于掺硅的n型GaN外延层,借助紫外光的均匀辐照与限定,可以得到可重复的、均匀的、轮廓清晰的腐蚀面。但这也必须小心选择好腐蚀电压与光照强度,使刻蚀电流大小合适,并注意避开雪崩区。尤其值得注意的是,PN4400虽然配备了自动消除腐蚀面上所产生的气泡的装置,但仍很难自动有效地清除气泡,这会严重影响腐蚀的均匀性与测量结果的正确性。为此,必须经常暂停腐蚀,进行人工干预,采用注射针头喷射H2SO4来赶走气泡。只要认真注意到这些,不难获得均匀的腐蚀坑。图2是样品A被腐蚀后的微分干涉显微镜照片,腐蚀深度为2μm,圆面积约0.098cm²,腐蚀均匀。

  图2 样品A的腐蚀坑微分干涉显微镜照片(腐蚀深度2Lm,圆面积0.098cm2,@100)

  两种缓冲层工艺相应的蓝光芯片是由江西欣磊公司提供的。

  3 结果与讨论

  3.1 测量结果

  图3,图4是用ECV分析仪测得的A、B两个样品的载流子浓度的纵向分布。深度为零表示外延层表面。两图中载流子浓度的纵向分布趋势一致,可分为四段,分别用(a),(b),(c)和(d)表示。本文对这四段作如下分析。

  (a)曲线基本上是平直的,测量的载流子浓度在(3~4)@×1018cm-3之间,和设计的载流子浓度3.5×1018cm-3是吻合的,也和外延层结构中掺硅层厚度的激光干涉测量值相对应,表明此段为掺硅层GaN。

  (b)斜坡对应硅的扩散(其起因见讨论)。

  (c)对应未掺杂的GaN层,随着未掺杂GaN层厚的增加,背景载流子浓度逐渐减少,对应晶体质量随生长厚度的增加而得到改善[6]。但是,这种改善会饱和。因此,为节省成本,在背景载流子浓度达到较低时,即可及时停止该层生长,转入掺硅。b,c之间的谷值可用来表示晶体质量的好坏。样品A的背景载流子浓度谷值比样品小,表明其晶体质量较好。大家知道,LED的反向电流能直接反映晶体生长质量的好坏。同等LED芯片工艺,用了样品A的缓冲层工艺,10V反向电压下电流是10LA。而用了样品B的缓冲层工艺,6V反向电压下的电流已是25LA。由此可见,ECV测试既可为生长工艺参数的优化提供参考,也能用于在未做芯片之前评价外延片质量。

  (d)对应衬底附近。

  图3 样品A的载流子浓度纵向分布与高斯拟合图
  (a)掺硅段;(b)扩散段;(c)未掺硅段;(d)衬底附近

  图4 样品B的载流子浓度纵向分布与高斯拟合图
  (a)掺硅段;(b)扩散段;(c)未掺硅段;(d)衬底附近

  3.2高斯拟合与硅的扩散系数

  掺硅后,硅要向蓝宝石衬底方向扩散(即(b)段)。对(b)段试采用主扩散模型,假设杂质的分布满足高斯分布[5],即满足:

  (1)

  Ns原为半导体表面的杂质浓度,在这里可以认为是(a)段的载流子浓度;t为扩散时间,两样品的生长时间有所不同,也就是扩散的时间有些不同。样品A的生长时间短些,反映在图上,就是图3(b)段的斜率比图4大,也即硅扩散区要窄些;D为扩散系数;在腐蚀均匀的情况下(对样品A分别做过5种腐蚀深度下的腐蚀面金相显微镜观察,结果显示腐蚀非常均匀),本文对图3,4相应扩散段进行高斯模拟,其表达式为:

  (2)

  式中:w为峰宽参数,即扩散宽度。

  模拟结果见图3,4(b)区的光滑线(在谷底位置中断的那根)。模拟结果和测量结果重合程度相当好,表明可采用高斯分布的扩散模型,式(2)可作为经验公式。由式(2)根据归一原则可知,掺硅起点即式(2)中的峰位置坐标,其值见图3,4中列出的模拟参数;xs的计算结果见表2,它对应的就是表1中的由激光干涉仪实测的掺硅层厚度,两者符合程度较好,也表明模型选择合理。由模拟所得的参数w,根据式(1),(2)及相应的生长时间可求得相应温度下的扩散系数D,见表2。表中开始掺硅后的生长时间是由材料生长过程中的激光干涉外延层反射率实时变化曲线查得的。

  由表2可见,A、B两样品的扩散系数D一样,扩散宽度w分别为0.32Lm和0.35Lm。在文献[3]中,使用SIMS测量了在SOI(SilicononInsulator)上生长的非掺杂GaN中,衬底中的硅向GaN的扩散,其样品是在940e下生长1h得到的,测得的扩散宽度w约0.5Lm。考虑到他们测得的是衬底附近的情况,此处晶体质量不好,杂质扩散自然要激烈些。因此,其结果和本文的结果(表2)有可比性。

  表2 样品A、B中的硅扩散系数D与掺硅起点Xs

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