利用电容-电压法研究GaN基双异质结发光二极管的结构特点

范千千，徐坤熠，符斯列

(1.华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510006；2.华南师范大学 物理学科基础课程国家级实验教学示范中心，广东 广州 510006)

半导体材料作为整个半导体产业的基础，其发展为光电子、微电子产业的发展创造了条件.以GaN为代表的第三代半导体材料是一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、介电常数小等优越特性，是继Ge、Si和GaAs之后最主要的半导体材料之一.GaN材料制作的LED表现出优异的照明效率和低功耗特点，已经迅速取代了传统的白炽灯和荧光灯[1]，且以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优点，在图像显示、信号指示、照明与基础研究方面有极为广阔的研究前景[2].除此之外，半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此广泛应用于刹车灯、交通信号标志灯、户外展示灯等.

相比普通PN结二极管，双异质结二极管中的电子和空穴复合率更高，具有更高的发光效率.近年来，通过提升外延技术制备出了更高质量的异质结，提高了异质结的输运特性[3].对于双异质结，主要研究了GaN基双异质结的高功率特性[4]、异质结内的载流子传输机制[5]、异质结在低温下的电流增益特性[6]，还在GaN基底上制备了PNP型双极晶体管，研究了它们在室温下的电流/电压和高功率特性[7].

本文通过C-V法测量GaN基蓝光二极管的PN结特性，借助液氮进行控温得到该二极管的变温C-V曲线以及与其对应的C-2-V曲线和C-3-V曲线，分析其在室温下两侧的结构特点，研究温度变化对C-V曲线的影响.最后根据样品的C-V曲线及对应的杂质浓度分布曲线，分析GaN基双异质结蓝光发光二极管在不同温度下的结构特点.

1 实验原理和装置

1.1 电容-电压测量原理

PN结是半导体技术中许多元件的基本组成部分，根据杂质浓度随结宽的变化，PN结类型基本可分为突变结、线性缓变结及非突变又非线性缓变结[3].

突变结的特点为N型区施主杂质浓度在交界面处突变为P型区受主杂质浓度，且C-2-V曲线呈线性关系，如图1(a)所示，由直线斜率可求出约化杂质浓度.而线性缓变结的杂质浓度从PN结一侧到另一侧呈线性缓慢变化，C-3-V曲线呈线性关系,如图1(b)所示，由直线斜率可求出杂质浓度梯度[8].

突变结的C-2-V曲线关系

根据PN结电容理论，其势垒电容与结宽的关系满足

(1)

代入泊松方程可得约化杂质浓度N*(l)随结宽的分布为[8,9]

(2)

其中，ε0和εr分别为真空电容率和材料的相对电容率，A为截面积，e为基本电荷量.

1.2 双异质结构

由两种不同的半导体单晶材料组成的结构称为异质结[10]，含有异质结的两层以上的结构称为异质结构.双异质结由两块宽禁带半导体夹一层窄带隙半导体构成[11].理想的异质结由于两侧半导体材料的禁带宽度不同，能带在两种半导体材料的交界面处不连续，出现突变，如图2(a)所示.理想的双异质结构其两侧能带结构均呈现为能带突变型，如图2(b)所示[10].

理想异质结能带突变示意图

GaN基双异质结发光二极管的制作工艺流程如下：外延时，先在蓝宝石衬底上生长一层用于释放应力[3]的GaN缓冲层.然后升高温度，依次生长不同厚度[12]的n-GaN和n-AlGaN限制层.接着在较低温度下生长InGaN有源层，进入有源层的电子和空穴在异质结势垒的作用下被封闭在内，两者复合时将实现发光，保证发光二极管的发光性能.在有源层上继续生长p-AlGaN限制层和p-GaN接触层，最后分别在n区和p区添加金属以作为欧姆接触的电极，进行封装，结构示意图如图3所示[13].

图3 GaN基双异质结材料样品结构示意图

1.3 实验样品及装置

实验所用样品为GaN基蓝光二极管，其中心波长λ=460～465 nm，工作电压V=3.0～3.2 V，结面积A=6.25×10-4cm2，GaN的相对电容率εr=8.9，真空电容率ε0=8.854 pF/m.

实验所用仪器是由广州四探针科技有限公司研发的CV-5000型电容电压特性测试仪，电容测量范围1.000 0～5 000.0 pF.外加偏压设置为-10～0 V，调节偏压变化步长为0.1 V，对GaN基蓝光二极管进行电容量扫描记录.实验所用液氮瓶和标准Pt100 Ω温度探头、温度测量仪器，分别用于改变样品的温度和检测样品的温度.

实验时，将样品的两根引脚与漆包线焊在一起以扩大接线范围，使与引脚相连的两条漆包线两端接入CV-5000型电容电压特性测试仪.同时，将样品用电工胶带贴于内置温度探头的紫铜圆柱形恒温器外，以确保温度探头能尽量真实反映样品的温度.为了改变样品的温度，利用沉降法将固定有样品的紫铜恒温器放入液氮瓶中.具体装置如图4所示.

图4 实验装置示意图

2 实验结果与分析

2.1 判断PN结类型

本文采用C-V法对GaN基蓝光二极管的PN结特点进行研究，在T=298 K时对样品进行了测量，得到其对应的电容值C与电压值V，曲线如图5所示.

图5 T=298 K时的C-V曲线

对T=298 K时的C-V曲线进行观察，能够发现曲线上存在一个“平台”.结合图2(b)理想双异质结构能带突变示意图，为了更加合理地判断蓝光二极管双异质结的PN结特点，分别对“平台”两侧进行分析.将曲线分为-0.5～-3 V以及-3.5～-8 V两部分，并分别对其C-2-V曲线和C-3-V曲线进行线性拟合，拟合结果如图6所示.

T=298 K时-0.5～-3 V的C-2-V曲线

由图像可看出，4条曲线均具有一定的线性关系.但两两对比后发现，在-0.5～-3 V以及-3.5～-8 V时，都是C-2-V曲线较之C-3-V曲线的线性程度更好，实验数据点更靠近拟合直线.进一步对样品在两个电压区间的C-2-V曲线和C-3-V曲线进行相关性分析，发现-0.5～-3 V时的C-2-V曲线和C-3-V曲线相关系数的平方值分别为0.998 61与0.996 87，说明C-2-V曲线有更好的线性关系；-3.5～-8 V时的两曲线相关系数的平方值分别为0.998 13与0.994 18，说明C-2-V曲线有更好的线性关系.因此，该GaN基双异质结蓝光二极管的PN结类型两边都为突变结.

2.2 GaN基蓝光二极管的变温C-V曲线

将样品固定在紫铜圆柱形恒温器表面，恒温器沉降进入液氮内，利用液氮对GaN基蓝光二极管进行温度控制，样品的温度由温度测量仪进行测量，得到5个温度下样品的C-V曲线如图7所示.

图7 不同温度下的C-V曲线

在同一温度下，样品的电容值随反向电压值的增大呈减小趋势.对于突变结，理论上PN结两端C-V变化关系存在幂次衰减的规律，实验得到的GaN基蓝光二极管的C-V曲线符合此变化规律[14].

在不同温度下，样品的电容值随温度的升高呈增大趋势.由半导体的低温载流效应可知，当温度高于一定温度时，杂质全部电离[8]；当温度低于某温度时，杂质只有部分被电离，部分甚至是绝大部分的载流子被“冷冻”在杂质能级上.因此，电离杂质浓度在样品温度较高时处于较高的水平，表现为样品此时的电容值更大.

2.3 杂质浓度随结宽的分布

对5个温度下样品的C-V实验数据进行分析，能够观察到在C-V曲线上存在一个“平台”.根据C-V曲线进一步对杂质浓度变化关系进行分析，根据公式(2)，求出相应的杂质浓度随结宽的分布如图8所示.

图8 不同温度下的杂质浓度分布曲线

表1 不同温度下的杂质浓度分布平均值

在同一温度下，杂质浓度分布N(l)基本稳定.杂质浓度分布曲线的起伏是由于杂质浓度分布N(l)与C-V曲线各点的斜率dC/dV有关，dC/dV的微小变化会导致杂质浓度分布N(l)在平均值附近上下浮动[8].

2.4 温度变化对双异质结构的影响

为了判断温度变化对双异质结构的影响，对5个温度下的杂质浓度分布曲线进行分析.如图8所示，样品的双异质结构对应的杂质浓度分布曲线大体呈现“U”形走向.在T=298 K时，杂质浓度分布曲线两侧对称性较差，曲线右侧杂质浓度随着结宽的增大而增大.此时的双异质结构与理想的双异质结构不符，说明作为样品的GaN基蓝光二极管可能在室温下并非理想的双异质结构.

当温度降至T=248 K时，杂质浓度分布曲线的对称性相较T=298 K时有了明显的改善，曲线右侧杂质浓度达到峰值后开始降低.考虑到杂质浓度分布曲线的平滑度易受到C-V曲线各点的斜率影响，说明当温度降低到T=248 K时样品的双异质结构趋向于缓变的状态，与理想的双异质结构仍有一定偏差.而T=198 K和T=148 K时的杂质浓度分布曲线相较T=298 K时也出现了一定程度的改善，同样呈现缓变走向.

进一步降低温度为T=98 K时，杂质浓度分布曲线的对称性最高、极值差异最为明显，且曲线走向基本符合“U”形.虽然与图2(b)相比较，在杂质浓度分布曲线下降过程中出现了一定程度的弯曲，但相较室温下的杂质浓度分布曲线已有了较大改善，也更加接近理想双异质结构两端的势垒突变.

通过对不同温度的杂质浓度分布曲线进行分析发现：(1)在T=298 K时，杂质浓度分布曲线明显不符合理想双异质结构，可能是在温度影响下结构不明显；(2)在T=248 K、T=198 K、T=148 K时的杂质浓度分布曲线呈类“U”形，说明在温度降低的过程中，双异质结构逐渐显著，但同理想双异质结构仍有一定差异；(3)当温度降低到T=98 K时，此时双异质结构明显，接近理想双异质结构.

3 结论

本文通过常用的电容-电压(C-V)法测量GaN基蓝光二极管的PN结特性，使用CV-5000型电容电压特性测试仪对二极管施加反向偏压，由C-2-V曲线和C-3-V曲线判断在室温下二极管PN结的类型.实验结果表明该GaN基双异质结蓝光二极管的PN结类型两边都为突变结.除此以外，借助液氮进行温控，通过二极管的变温C-V曲线及对应的杂质浓度分布曲线，观察不同温度下的双异质结构，分析温度变化对双异质结构的影响.发现在温度T=298 K即室温下时，双异质结构不明显；T=248 K时出现变化，曲线对称性改善，呈现为缓变；温度降至T=98 K时，杂质浓度分布曲线接近突变曲线，样品的双异质结构较为明显，说明随着温度的降低，双异质结构逐渐接近理想双异质结构.