利用ICP进行In掺杂对GaN基LED材料性能的影响

曾勇平,张保平,应磊莹（厦门大学电子工程系,福建厦门361005）

利用ICP进行In掺杂对GaN基LED材料性能的影响

曾勇平,张保平,应磊莹
（厦门大学电子工程系,福建厦门361005）

本文主要介绍一种新型的改善GaN材料p型欧姆接触特性的方法，即采用电子束蒸发技术在InGaN层上沉积一层ITO薄膜，然后通过感应耦合等离子体技术（ICP）对ITO进行轰击。通过XPS测试分析可知，ICP轰击ITO过程中，ITO中的In原子扩散至p-GaN层。通过在p-GaN上方制作欧姆接触并进行I-V测试，结果表明In掺杂后样品p型欧姆接触特性得到改善。

GaN；p型欧姆接触；ICP；XPS

1　引言

p型掺杂一直以来都是制约GaN基器件进一步发展的主要因素之一。目前，热退火仍是提高p型GaN空穴浓度的方法。热退火主要包括低温O2退火和高温N2退火。利用高温激活Mg受主，从而提高空穴浓度[1]。但是，高温退火存在一些缺点：KusakbeK等人报道在1000oC退火，晶格应力严重影响了InGaN多量子阱的结构和光学特性[2]；Hayes等人报道在较高的温度退火，在GaN层产生压应力，也将影响p-GaN的电学特性[3]。因此，Kumakura等人提出了不同于退火的方法来提高p-GaN的空穴浓度，即在p-GaN中掺入适量In，从而降低Mg的激活能，达到提高空穴浓度的目的[4]。此外，Zhang等人在p-AlxGa1-xN材料生长过程中引入In作为表面活性剂减少了材料中的点缺陷，并与Mg形成A-D-A结构的复合物（共掺杂，等效于一个受主），降低了受主激活能，电导率显著提高[5]。Liu等人提出在p-GaN中掺入P，提高了Mg的活性，使得空穴浓度得到了提高[6]。从上述报道中，我们可以得出，三族元素的掺入有利于提高p-GaN空穴浓度，改善样品欧姆接触特性。本文通过利用ICP技术对p-GaN层进行In掺杂，对p-GaN电学特性进行测试分析。

2　实验

采用电子束蒸发技术在InGaN层上沉积一层ITO(130nm)膜作为In的来源，沉积完后在感应耦合等离子体（inductivelycoupledplasma，ICP）刻蚀设备中采用Cl2/He气体对表层ITO进行轰击，如图3-1所示。其中图1(a)为ICP轰击ITO过程示意图，图1(b)为ITO轰击完ITO样品结构示意图。利用XPS测试p-GaN表面元素分布，然后在p-GaN上方磁控溅射Ni/Au（10/50nm）金属电极制作欧姆接触，利用半导体参数测试系统对样品p-GaN表面I-V特性进行测量。

3　结果与分析

3.1p-GaN表面元素浓度分布情况

图2为In掺杂前后InGaN/p-GaN的元素浓度深度分布图，其中内置图为In原子的浓度深度分布图。从图中我们可以看出，经ICP轰击ITO后，In原子与Ga原子浓度发生了变化。由于InGaN层厚度只有2nm，而如图中所示，In原子已经扩散至3nm处，也就是说，ICP轰击ITO过后，In原子已经扩散至p-GaN层，在InGaN表面，In原子浓度提高了约5倍，说明ICP掺杂效果较为明显。另外，In掺杂前后Ga原子浓度也发生了变化。从图中可以看出，In掺杂后，InGaN和p-GaNGa原子浓度有所下降。我们认为这是因为In原子和Ga原子之间的相互扩散导致。In原子从ITO层往InGaN/p-GaN进行扩散的同时，Ga原子也同样从InGaN/p-GaN层往ITO方向扩散，In原子替代了原来Ga原子在InGaN和p-GaN中的位置[7]。

3.2In掺杂对p型欧姆接触的影响

为了研究In掺杂对p型欧姆接触的影响，我们在样品表面制作Ni/Au电极以形成欧姆接触。实验采用美国Keithley公司的半导体参数测试系统对样品p-GaN表面I-V特性进行测量。未经掺杂和经过In掺杂的样品p-GaNI-V特性如图3所示。图中样品as-grown为未经掺杂样品，样品ICPtreatmentsample为In掺杂样品。我们可以看出，经过In掺杂的样品p-GaN欧姆接触特性较未经掺杂样品欧姆接触特性有所改善。经计算，In掺杂样品的欧姆接触电阻为4.35×103Ω，未掺杂样品欧姆接触电阻为7.086×103Ω，表明了In掺杂可以降低样品p-GaN欧姆接触电阻。通过对样品InGaN/p-GaN表面的原子分布进行XPS测试得到，经过ICP进行In掺杂后，样品InGaN/p-GaN表面In原子浓度得到了大幅提高。XPS测试结果表明，在ICP轰击ITO过程中，ITO层中的In原子扩散至InGaN/p-GaN层，提高了p-GaN层的电学特性。根据Kumakura等人研究报告提出：在p-GaN中掺入适量In，可以降低Mg的激活能，达到提高空穴浓度的目的[8]。此外，Zhang等人在p-AlxGa1-xN材料生长过程中引入In作为表面活性剂减少了材料中的点缺陷，并与Mg形成A-D-A结构的复合物（共掺杂，等效于一个受主），降低了受主激活能，电导率显著提高[9]。因此，掺In样品p-GaN电学性能得到改善，是因为在ICP轰击ITO过程中，ITO中的In扩散至p-GaN中，降低了Mg激活能，提高了空穴浓度，改善了p型欧姆接触。

4　结论

利用ICP轰击p-GaN上方ITO薄膜。XPS测试结果表明，ICP轰击ITO过程中，部分In原子扩散至p-GaN。通过在p-GaN上方磁控溅射淀积Ni/Au金属电极制作欧姆接触并进行I-V测试，结果表明，In掺杂样品p-GaN欧姆接触特性得到改善，欧姆接触电阻由7.086×103Ω降低至4.35×103Ω，证明了通过ICP轰击ITO对p-GaN进行In掺杂方法是可行的。

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曾勇平（1989—），男，福建龙海人，厦门大学电子工程系，研究生，研究方向：宽禁带半导体材料与光电子器件，微纳米结构制造及应用。