（微电子学与固体电子学专业论文）gan基led的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 g a n 基l e d 作为一种新型的固态光源，具有低功耗，长寿命，高发光效率等 优点，在显示、照明、指示方面发挥着越来越大的作用。尽管g a n 基l e d 具有许 多性能上的优点，但是仍然有许多的问题有待解决，例如p - g a n 材料的激活，p 型透明电极的制备以及器件可靠性的相关研究。本文研究了g a n 基l e d 制备过程 中的关键工艺，器件电学特性的退化以及影响器件发光特性的内在机制，为制备 高亮度g a n 基蓝光l e d 铺平了道路。主要的研究工作和成果如下： 1 充分考虑h 在g a n 材料中可能发生的反应，并对其中的可逆反应进行了深 入的讨论。结合p - g a n 中h 通过补偿受主杂质从而影响p 型掺杂浓度的作用机制， 对n g a n 材料中h 的作用机制进行完善和扩展。 2 研究了在空气和氮气中p - g a n 材料的退火实验，实验表明，在氮气中退火 后，p g a n 材料中大量的h 还会留在体内，只是在退火后会形成某种含h 稳定物， 而这种含h 稳定物在受到外界热应力的作用下分解，从而使m g h 络合物重新生 成，导致p - g a n 材料的微分电阻的增大。而在空气中退火后，大部分的h 从材料 体内析出，导致材料内的h 含量显著的减少，所以能够形成的含h 稳定物也就更 少，因此其微分电阻基本不受外界热应力的影响。 3 讨论了g a n 基l e d 制备过程中的关键工艺，系统阐述了欧姆接触的制备， 研究了不同退火气氛中n i a u 欧姆接触的退火模型，并进行了分类、总结。对空 气中退火的n i a u 电极进行了微结构分析。通过实验证实了n i 和a u 在p 型欧姆 接触中所起的作用是不同的，分析发现，n i 的作用是形成欧姆接触，而a u 的作 用是提供传导路径，从而提高n i a u 薄膜的传导性。 4 。研究了小电流下g a n 基l e d 的i v 特性，进一步完善了传统的扩散一复合 理论，提出了空穴引起的隧穿电流模型。研究了大电流应力下g a n 基l e d 的退化， 分析发现，亚阈值区电流的退化是由浅能级缺陷引起的。p g a n 表面在电应力作 用下出现裂纹，直接影响到p 型电极表面形貌，导致串连电阻增大，从而引起正 向导通区的退化。通过对反向截至区的退化研究发现，小反偏压下的退化主要是 由缺陷辅助隧穿引起，而大反偏压下的退化主要是由带间直接隧穿引起。 5 研究了g a n 基l e d 器件结构和材料特性之间的关系，通过e l 谱分析，发 现了材料极化场与载流子屏蔽效应之间相互竞争的关系，此外，还研究了热效应 对g a n 基l e d 峰值波长的影响。 关键词：g a n 基l e d ，退火，n i a u 欧姆接触，退化，极化场 垒! ! ! ! 呈壁 三 _ _ _ _ - - - _ - - - _ - _ _ - i _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ - - - _ - - _ i _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ 。_ _ _ 。- _ _ - _ - _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ - - _ 一一一 a b s t r a c t a san e wt y p eo fs o l i ds t a t el i g h ts o u r c e ，g a n b a s e dl e d sh a v el o w p o w e r , l o n g 1 i f e ，h i g h l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c ya d v a n t a g e s i tw i l lp l a ya ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l e i n d i s p l a y , l i g h ta n di n s t r u c t i o n s a l t h o u g h t h ep e r f o r m a n c e so f g a n b a s e dl e d sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，t h e r eh a v eb e e ns t i l lm a n yi s s u e sy e tt ob e r e s o l v e d f o re x a m p l e ，t h ea c t i v a t i o no fp - g a n ，p - t y p et r a n s p a r e n ta l e c t r o d ea n dt h e r e s e a r c hf o rt h ed e v i c er e l i a b i l i t y t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g yi nt h e p r o c e s so fg a n b a s e dl e d s e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e g r a d a t i o no fd e v i c ea n da n i n t e r n a im e c h a n i s mw h i c ha f f e c t e dt h ei u m i n e s c e n c eo fd e v i c e t h e s eh a v ep a v e dt h e w a yf o rp r e p a r a t i o nf o rt h eh i g h - b r i g h t n e s sg a n b a s e db l u el e d s t h em a i nr e s e a r c h w o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 f u l lc o n s i d e rhw h i c hi si n s i d eg a nm a t e r i a l si nt h er e a c t i o nm a yo c c u r , a n d w em a d et h er e v e r s i b l er e a c t i o ni n d e p t hd i s c u s s i o n s w ec o m b i n e dhw h i c hi si n s i d e p - g a nt h r o u g hc o m p e n s a t i o nt oa f f e c t t h ei m p u r i t yc o n c e n t r a t i o no fp - t y p ed o p i n g m e c h a n i s m w eh a v ei m p r o v e da n de x p a n d e dt h em e c h a n i s m so fhw h i c he x i s t e di n n g a n 2 w ed i dr e s e a r c ho np - g a na n n e a l i n gt e s t i n gi n a i ra n dn i t r o g e n a f t e r a n n e a l i n gt e s ti nn i t r o g e ns h o w e dt h a tal a r g en u m b e ro fhw o u l dr e m a i ni np - g a n m a t e r i a l s t h e s ehw o u l df o r mac e r t a i nk i n do fs t e a d yc o m p o u n d i nt h eo u t s i d eo ft h e e f f e c t so ft h e r m a ls t r e s s ，t h i sc o n t a i n i n ghs t a b i l i t yw o u l dd e c o m p o s e t h em g h c o m p l e x e sr e g e n e r a t e da n dl e dt ot h ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c ei n c r e a s i n g i np - g a n m a t e r i a l s a f t e ra n n e a l i n gt e s ti na i r , i ts h o w e dt h a tal a r g en u m b e ro fhw i l le x t r a c t f r o mt h ep g a na n dt h ec o n t e n to fhw h i c hi si n s i d ep o a nh a das i g n i f i c a n td e c r e a s e t h e r e f o r e ，t h ec o n t a i n i n ghs t a b i l i t yw o u l db em u c hl e s s ，a n dt h ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c e w a sb a s i cf r e ef r o mt h e r m a ls t r e s si n f l u e n c e 3 w ed i s c u s s e dt h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s so fg a n b a s e dl e d sa n d e x p o u n d e dt h ep r e p a r a t i o nf o rt h eo h m i cc o n t a c t 。b e s i d e s ，w ed i dr e s e a r c ho nn i a u o h m i cc o n t a c ta n n e a l i n gm o d e li nd i f f e r e n ta n n e a l i n ga t m o s p h e r ea n dm a d et h e c l a s s i f i c a t i o ns u m m a r y w em a d et h em i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so fn i a ue l e c t r o d ei na i r a n n e a l i n g 。c o n f i r m e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ，n ia n da up l a y e dd i f f e r e n tr o l e i nt h e p - t y p eo h m i cc o n t a c t a n a l y s i sf o u n dt h a tn iw a st h er o l eo ff o r m i n go h m i cc o n t a c t s a n da uw a st op r o v i d ec o n d u c t i o np a t hw h i c hi m p r o v en i a uc o n d u c t i v ef i l m s 4 w ed i dr e s e a r c ho ng a n b a s e dl e d si vc h a r a c t e r i s t i c si nl o wc u r r e n t f u r t h e r i m p r o v e dt h et r a d i t i o n a ld i f f u s e c o m p o s i t et h e o r ya n dp r o p o s e dt h et u n n e l i n gc u r r e n t 4 一 g a n 基l e d 的关键技术研究 m o d e lc a u s e db yh o l e ，w bs t u d i e dt h ed e g r a d 【a t i o no f o a n b a s e dl e d su n d e rt h eh i g h c u r r e n ts t r e s s a n a l y s i sf o u n dt h a tt h es u b t h r e s h o l dc u r r e n to fd e g r a d a t i o nw a sc a u s e d b yt h es h a l l o wl e v e ld e f e c t s p g a ns u r f a c ea p p e a r e dc r a c ku n d e re l e c t r i c a ls t r e s s i t d i r e c t l ya f f e c t e dt h em o r p h o l o g yo fp - t y p ee l e c t r o d es u r f a c em o r p h o l o g ya n dl e dt o i n c r e a s ep a r a s i t i cr e s i s t a n c e t h u s ，t h ea b o v er e a s o n sc a u s e dt h ed e g r a d a t i o no ff o r w a r d r e g i o n w es t u d i e dt h ed e g r a d a t i o no fr e v e r s er e g i o n w ef o u n dt h a tt h ed e g r a d a t i o no f t h es m a l la n t i b i a sr e g i o nw a sm a i n l yc a u s e db yd e f e c t sa s s i s t e dt u n n e l i n g ，a n dt h e d e g r a d a t i o no ft h eh i g ha n t i b i a sr e g i o nw a sm a i n l yc a u s e db yi n t e r - b a n dt u n n e l i n g 5 w eh a v es t u d i e dt h eg a n b a s e dl e d so nt h ed e v i c es t r u c t u r ea n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t e r i a lp r o p e r t i e s t h r o u g he ls p e c t r u ma n a l y s i s ，w ef o u n dt h a t t h em a t e r i a lp o l a r i z a t i o nf i e l da n dc a r r i e rs h i e l d i n ge f f e c tc o m p e t e dw i t he a c ho t h e r i n a d d i t i o n ，w ea l s os t u d i e dt h et h e r m a le f f e c ti m p a c t e do nt h ep e a kw a v e l e n g t ho f g a n b a s e dl e d s k e y w o r d s ：g a n b a s e dl e d s ，a n n e a l i n g ，n i a uo h m i cc o n t a c t , d e g r a d a t i o n ， p o l a r i z a t i o nf i e l d 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学和中国科学院 微电子研究所。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位 仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论 文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定) 本人签名：扭 日期：盆孚，毒么：参 导师签名：枷日期：咐 第一章绪论 第一章绪论 1 1g a n 材料概述 与许多的传统半导体材料不同，i i i 族氮化物具有六角形的纤维锌矿和立方的 闪锌矿两种结构。然而，六角形的纤维锌矿结构比闪锌矿结构更为常见。因为i i i 族氮化物没有对称中心，所以它们都是极性晶体。因此它们拥有许多非常有用的 性质，比如说压电性和热电性等【l 。i i i 族和v 族元素之间电负性有很大差距 ( a i = i 1 8 , g a = 1 1 3 i n = 0 9 9 ，n = 3 ) ，从而使i i i 族氮化物有很强的化学键，这也是i i i 族氮化物具有很多独特的特性的根本所在。其中最直接的一个影响就是i i i 族氮化 物都是宽禁带半导体。i n n 的能隙为1 9 e v ，对应的波长为6 5 0 n m ；g a n 的能隙为 3 4 5 e v 【l 2 儿l 引，对应的波长为3 6 5 n m ；a l n 的能隙为6 2 e v ，对应的波长为2 0 0 n m 。 它们组成的合金 g a ( a i ，i n ) n 可以覆盖整个可见光区和近紫外光区。而且纤锌矿结 构的i i l 族氮化物都是直接带隙，非常适合于光电子器件的应用。 因为本征载流子浓度是与能隙和温度成指数关系，所以在很大的温度范围内 半导体的能隙越大，其本征载流子浓度就越低。 3 、一 1r 、 以，：4 9 1 0 15 it m a c m a h1 4 丁ie x p f 一二ll( 1 1 ) l 聊j l2 k r ) 这就使器件的漏电流和暗电流很低，而这一切对于光电器件和高温电子器件 是非常重要的。强化学键的另一个结果就是这些材料的物理和化学性质都十分稳 定( 高熔点和高机械强度) 。另外，与传统的半导体材料相比，i i i 族氮化物的有效 质量较高，导致了载流子迁移率较低，但是这可以由氮化物的高饱和电子漂移速 度来补偿，其值可以达到3 x 1 0 7 c r n s1 1 3 】。这种氮化物具有良好的热传导性、较大 的能带宽度。这些良好的器件特性使得它们非常适用于制作高功率和高温器件。 特别是在最近几年，l e d 以及l a s e r s 都有了长足的发展，不光是在波长的范围， 亮度上的提高也是很明显的。l e d 以其较高的稳定性，广泛的应用于显示、照明、 指示灯、广告照明、交通信号灯。最近，这种光源还被用于医疗的诊断和治疗、 加速光合作用的进程等等方面【1 4 】【1 5 1 。 虽然基于i i i 族氮化物的器件具有许多性能上的优点，一些器件也已被研制出 来并且部分实现了商品化，但是仍然有许多的问题有待解决。首先，高质量的i i i 族氮化物单晶的生长比较困难，因此没有高质量的i i i 族氮化物衬底，所以器件的 制备就必须采用异质外延的方法来实现。衬底材料与氮化物之间在晶格常数和热 膨胀系数的失配导致了薄膜的晶体质量变差。而且，不同组分的氮化物合金的晶 格常数也存在失配，同样会导致i i i 族氮化物异质结构的大量缺陷。为此，我们给 2 一 g a n 基l e d 的关键技术研究 出它与衬底材料的晶格常数和热膨胀系数。 表1 1 各种、卜导体材料的品格常数和热参数 l a t t i c ec o s t a n tt h e r m a lt h e r m a l s u b s t r a t e ( a n g s t r o m s )c o n d u c t i v i t ye x p a n s i o n a t3 0 0 kw c m kc o e 衔c i e n t a t 3 0 0 k ( 1 0 6 k ) a t3 0 0 k g a na = 3 1 8 82 03 1 c = 5 1 8 53 5 a l na = 3 1 2 2 3 2 ( c - a x i s ) 2 3 0 c = 4 9 8 2 2 6 9 6 hs i ca = 3 0 8 l 4 9 ( a - a x i s ) 2 9 c ：1 5 1 1 72 9 4 hs i c a = 3 0 8 03 72 8 c = 1 0 0 8 22 8 s a p p h i r e a = 4 7 6 5 o 3 5 ( c - a x i s ) 5 9 c = 1 3 0 0 l6 3 s ia = 5 4 3 0 11 5 62 5 7 从表1 1 中可以看出，s i c 系材料的品格常数和热膨胀系数是最理想的衬底材 料，但是目前由于s i c 系材料的生产成本比较高，商品化率比较低，还不具备大 规模生产的条件，所以我们可以根据不同器件的要求采用蓝宝石衬底和s i 衬底来 满足实际要求。 其次，由于在宽禁带氮化物半导体中，结构性缺陷和本征性缺陷导致了难以 获得较高的电子浓度，特别是空穴浓度。最后，器件的性能和一些关键的工艺步 骤( 例如表面处理、退火处理、欧姆接触的制备) 关系复杂，还没有形成标准化 的工艺流程，因此，我们有必要对器件的制备，以及后续器件的性能进行研究。 1 2g a n 基l e d 的发展以及应用前景 1 2 1以蓝宝石为衬底的g a n 基l e d 2 0 世纪5 0 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第 一个具有现代意义的l e d ，并于6 0 年代面世。第一个商用l e d 仅仅只能发出不 可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。 6 0 年代初，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光l e d ，磷化 镓的改变使得l e d 更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。当时所用的 材料是g a a s p ，发红光( k p = 6 5 0 n m ) ，在驱动电流为2 0 毫安时，光通量只有千分之 几个流明，相应的发光效率约0 1 l m w 。 第一章绪论 到7 0 年代中期，引入元素i n 和n ，使l e d 产生绿光( x p = 5 5 5 n m ) ，黄光( 妒 5 9 0 n m ) 和橙光( k p = 6 1 0 n m ) ，光效也提高到l l 州w ：就在此时，俄国科学家利用金 刚砂制造出发出黄光的l e d ，尽管它不如欧洲的l e d 高效：但在7 0 年代末，它 能发出纯绿色的光。 8 0 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的l e d 的诞生， 先是红色，其l e d 的光效达到l o l m w 接着就是黄色，最后为绿色。 1 9 9 1 年，同亚公司研制成同质结g a n 蓝光l e d ，峰值波长为4 3 0 n m ，光谱半 宽为5 5 n m ，其光输出功率为市售s i c 基l e d 的l o 倍，外量子效率约为o 1 8 。 1 9 9 4 年，同亚公司又研制出一种i n g a n a i g a n 双异质结的烛光级超高亮度蓝 色l e d ，其结构可见图1 1 1 1 6 j ： p - a i g a n n e l e c t r o d i n g a n ：z n 1 圈 n a l g a n 图 n g a n g a nt r a n s i t i o nl a y e r s a p p h i r es u b s t r a t e p - a i g a n n e l e c t r o d e i n g a n 囱 n g a n g a nt r a n s i t i o nl a y e r s a p p h i r es u b s t r a t e 图1 1 双异质结g a n 基l e d 结构框图图1 2 单量子阱g a n 基l e d 结构框图 在2 0 m a 的正向电流下，输出功率为1 5 m w ，外量子效率为2 7 ，波长和半 高宽值( f w h m ) 分为4 5 0 n m 和7 0 n m ，光强度超过l c d ，这个亮度是商品化s i c 蓝色l e d ( 2 0 m c d ) 的5 0 倍，如果增加i n g a n 有源层中i n 的含量，则可获得波 长为5 1 4 n m ，输出功率为0 6 4 m w 的深绿色l e d 。美国c r e e 公司对上述结构进行 了改进，它们使用导电的s i c 衬底代替了绝缘的蓝宝石衬底。这一改进使得可以 把l e d 的电极金属制备在衬底的底部，可以使用标准的银环氧树脂工艺对器件进 行封装。此外，电流能够通过低阻导电衬底的垂直流动，也为发展其它光电子器 件奠定了基础。 1 9 9 5 年，日亚公司报道了一种i n g a n 单量子阱结构制备的g a n 基l e d 。单 量子阱结构比异质结构的同类器件有更高的输出功率和更窄的发射谱带。更令人 振奋的是改变势阱层i n g a n 中i n 的摩尔分数，可以获得更高效率的超高亮度绿色 g a n 基l e d ，从而填补了没有高亮度绿色l e d 的空白，图1 2 是该器件的结构， 在2 0 m a 正向电流下，蓝色l e d 的发射波长和f w h m 分别为4 5 0 n m 和2 0 n m ，输 出功率和外量子效率分别为5 m w 和9 1 ，对应的光强为2 5 c d 。随后，日亚公司 g a n 基l e d 的关键技术研究 又对上述结构进行了修改，将单量子阱的结构变为多量子阱的结构，图i3 是该器 件的结构各项性能参数得到了进一步的提高这意味着蓝色发光l e d 的发展进 入了一个新阶段。 1 生| i3 多甜子阱g a n 基的结构框图 2 2 以s i 为衬底的g a n 基l e d 的发展 1 9 9 8 年，s u p m t i k g u h a i t7 1 报道了第一个s i 衬底g a n 基l e d 其结构为s i ( 1 1 1 ) a i n ( g r i m ) n - a i ，g a h n g a n ( 6 a m ) 有源层，p a i 。g a l x n p - g a i n ( 1 5 r i m ) 。这种双 异质结l e d 采用m b e 方法生长，其电极为v 接触方式。i v 测试得出开启电压 45 - 65 v ，- 1 0 v 时漏电流为1 0 - 1 3 0 微安。当有源层分别为s i 掺杂g a n 或本征g a n 时，获得峰值波长分别为3 6 0 h m ( 紫外) 和4 2 0 n m ( 紫色) 的发光。此l e d 工作 电压1 2 v ，t 作电流1 4 1 5 m a 与蓝宝石或s i c 衬底上m o c v d 生长的l e d 相比 产生如此高工作电压的原因与p 型掺杂效率较低和没有理想的p 型接触有关。 1 9 9 9 年，t r a i l 1 ”首次报道了采用m o v p e 方法在s i ( 1 1 1 ) 3 - 生长出i n g a n ( 3 a n 多量子阱结构蓝光l e d 。器件结构为s i n g a n ( 4 微米) 1 0 周期( 2 r i mi n o0 2 g a o9 科 势阱屠和9 m n g a n 势垒层) i , a 1 0 1 g a o9 n ( 4 0 n m ) ，p - g a n ( 3 0 0 h m ) ，电极采用v 接触方式。l e d 丌肩电压为4 v 1 0 v 时漏电流为6 0 微安。在2 0 n m 的工作电流 f ，工作电压8 v ，发射峰值波长和光谱半高宽( f w h m ) 分别为4 6 5 n m 和3 5 m n 。 此l e d 结构中有裂纹产生。 2 0 0 0 年，y a n g l t9 l 在s i ( 1 1 1 ) 上制备了一种薄的( 3奄1-譬辽若鼍蛋妄 第二章h 原子对g a n 材料的作用 1 9 对于许多高温生长技术，例如，m o c v d 和h v p e ，它们的生长过程中都富含 h 。因此，可认为【, u t t = , u t t ，( t = o ) 】。在图2 4 ( a ) 中表明h 具有比氮空位更低的形 成能。若m g 和h 的浓度一样，则表明h 完全补偿受主m g 杂质。 从图2 4 ( a ) 中我们可以估算出热平衡下的费米能级，即受主杂质和起施主作用 的原子在图中的交点来估算。在交点处它们的形成能以及浓度相等，以保持电中 性。如果只考虑m g 和固有缺陷的存在，交点处的费米能级的位置为0 8 e v 。如果 考虑到h 的存在，交点还要上移到更高的能量。从图2 4 ( a ) 中可看出受主杂质m g 的费米能级升高，而形成能在减少。而对于氮空位其形成能在增加，从而导致缺 陷浓度的减少，而络合物的浓度在增加。 我们发现m g 掺杂的g a n 在高温生长的情况下( 高于1 2 0 0 k ) ，m g 被深度的 补偿了。补偿的中心或者是氮空位或者是h 。这种结论与实验结果一致：用m b e 生长出的p g a n ( 生长温度低于1 0 0 0 k ) ，在未经后处理的情况下没有发现h 的存 在 2 1 3 1 1 2 _ 1 4 j 。当有h 存在时，其浓度本质上是等于m g 的浓度( 图2 4 ( c ) 所示) 。 m g h 络合物在其材料生长的过程中就能分解，然而，在其冷却的过程中，m g 和 h 又结对生成m g h 络合物，这与实验结果一致【2 1 5 l 。 为了激活m g 原子，后处理是必需的。我们发现，m o c v d 生长出的m g 掺杂的 g a n 需要更高的退火温度来激活m g 原子【2 - 1 6 j 。这是因为仅仅使m g h 络合物分解是 不够的，还要使h 去除掉，即不能让h 原子或进入到材料的表面，或者被其它的缺 陷捕获。否则，当样品冷却后，h 原子( 受主) 会继续补偿m g 。 我们计算出h + 的扩散势垒为0 7 e v ，表明它的流动性很强。而对于m g 的激 活通常的退火温度是很高的，这就反应出对于h 的激活势垒具有不同的成因，即 p - g a n 中的h 被其它的缺陷捕获，或进入到表面。同时，注意退火温度应足够的 低，以避免氮空位的形成以及受主m g 杂质的再扩散。 我们来考虑n g a n ，其中的受主杂质为s i 。s i 的溶解度受到s i 3 n 4 ( 皤= i t s , ) 的制约。对于只有s i 和固有缺陷的情况，图2 4 ( d ) 表示了镓空位( n 型中的主要固 有缺陷) 和s i 的浓度随着温度的增加而增加。即使其生长温度超过1 3 0 0 k ，镓空 位的数量级远远低于s i 的，表明固有缺陷的补偿不是主要问题。如果考虑h 存在 的情况，只有很少一部分的s i 被补偿( 见图2 4 ( d ) ) 。然而，即使在很高的生长温 度下，h 的浓度还是要低于s i 的浓度，这可以解释s i 掺杂的p g a n 具有良好的电 学特性，s i 的浓度没有受到h 浓度的影响，这与m g 掺杂的情况完全不同。虽然， 经过计算s i h 络合物的形成能也为0 7 e v ，然而由于h 的浓度很小，因此其形成 的络合物也就很少。我们计算出h 一的扩散势垒为3 4 e v ，因此h 一在n g a n 中的移 动性很差，所以要想把它从n g a n 中去除就很难。和p 型材料相比，h 一的形成能 过高，因此在n - g a n 材料中的h 元素含量较少，对材料导电性的影响比较小，这 也可以很好的解释n g a n 材料退火后，其掺杂浓度基本不发生变化看出。 2 0 g a n 基l e d 的关键技术研究 2 3退火对g a n 材料的影响 上节中我们讨论了h 在g a n 中作用，h 对受主和施主杂质的影响是不同的， 对于p g a n 材料，我们必须进 亍处理才能用于电子器件的制各。目前主要有两种 方法，一种是低能电子束照射( l e e b i ) 【2 。6 j ，其实质就是少数载流子结合热分解 后的h ，形成了稳定的h 化物。另外一种方法就是退火，其实质就是促使p g a n 材料内的大量m g h 络合物的分解，通常我们采用退火的方法来激活p g a n 材料， 最常用的退火气氛为氮气和空气。为了搞清楚这两种激活方法的内在作用机制和 联系，我进行了以下三组实验来加以说明。 实验使用的样品是p 型电极未经退火的g a n 基l e d ，我们对其p 型电极作如 下退火处理。首先，进行第组实验，在开路条件下，分别在空气和氮气中经过 不同温度，退火时间为5 m i n ，实验结果可见图2 5 。 图2 5 在不同退火气氛下微分电阻与退火温度的变化 从以上的实验结果来看，无论是在氮气中还是在空气中都能达到激活p - g a n 材料的目的，我们从上一节的讨论可知，导致p - g a n 材料电阻率大的原因主要是 m g h 络合物的产生，因此，这两种退火气氛在一定程度上都能促使m g h 络合物 的分解，但是从退火的效果来看，空气中的情况显然要比氮气中的好，这就与m g - h 络合物分解后产生的h 与p g a n 的作用有关，为此，我们进行第二组实验来加以 分析。 其次，进行第二组实验，在偏置条件下，分别在空气和氮气中经过不同温度， 相同的退火时间。实验结果可见图2 6 。 妒 妒 舻 旷 妒 第二章h 原子对g a n 材料的作用 2 l 图2 6 在空气中有无偏置条件下微分电阻与退火温度的关系 从图2