<code id="gkkii"><object id="gkkii"></object></code>
<bdo id="gkkii"><noscript id="gkkii"></noscript></bdo>
  • <menu id="gkkii"><center id="gkkii"></center></menu>
  • 優勝從選擇開始,我們是您省心的選擇!—— 文閱期刊網
    幫助中心
    期刊發表
    您的位置: 主頁 > 論文中心 > 電子論文 > 正文

    AlGaN基深紫外LED的外延生長及光電性能研究

    作者:文閱期刊網 來源:文閱編輯中心 日期:2022-06-14 09:17人氣:
    摘    要:AlGaN基材料作為帶隙可調的直接帶隙寬禁帶半導體材料,是制備紫外光電子器件的理想材料。在無法獲得大尺寸、低成本的同質襯底的情況下,高質量AlN薄膜的異質外延是促進紫外器件發展的關鍵。本文中,通過調節藍寶石襯底上AlN的金屬有機物化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)生長模式產生高密度納米級孔洞,并利用納米級孔洞來降低AlN的位錯,并在此基礎上外延了AlGaN量子阱結構,得到了275 nm波段的深紫外LED薄膜,并獲得低開啟電壓和良好整流性能的深紫外LED器件。
     
    關鍵詞: AIN薄膜; AlGaN材料;紫外LED;異質外延;納米級孔洞;
     
    Epitaxial Growth and Optoelectronic Properties of AlGaN-Based Deep-Ultraviolet LED
    LILu XUYu CAO Bing XU Ke .
    School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University Key Lab of Advanced
    Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province and Key Lab of Modern Optical
    Technologies of Education Ministry of China Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics,
    Chinese Academy Sciences
     
    Abstract:
    AlGaN-based materials are ideal for the preparation of UV (ultraviolet) optoelectronic devices as bandgap-tunable direct bandgap wide semiconductor materials. In the absence of access to large-size, low-cost homogeneous substrates, heterogeneous epitaxy of high-quality AlN films is the key to facilitate the development of UV devices. In this work, the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) growth pattern of AlN on sapphire substrates was adjusted to generate high density nanoscale holes and used the holes to reduce the dislocations of AlN. Based on this, the AlGaN quantum well structure was epitaxially developed. Deep-UV LED films in the 275 nm band were obtained by epitaxy, and deep-UV LED devices with low turn-on voltage and good rectification performance were obtained.
     
    Keyword:
    AlN thin film; AlGaN material; UV LED; heterogeneous epitaxy; nanoscale hole;
     
    0 引 言
    Ⅲ-Ⅴ族氮化物是當前十分熱門的光電半導體材料之一,鋁鎵氮(AlGaN)作為帶隙可調的直接帶隙寬禁帶半導體材料,是制備紫外光電子器件的理想材料[1,2,3,4,5]。AlGaN基光電器件在照明、醫療衛生、殺菌消毒、非視通信等方面都具有廣闊的應用前景[6,7,8,9,10]。但是總體來看,目前所制備的紫外發光二極管(light emitting diode, LED)的外量子效率仍然較低,特別是對于發光波段在350 nm以下的紫外LED,它們的外量子效率大多集中在10%以下。造成AlGaN基紫外LED發光效率偏低的原因主要有高質量的AlGaN材料制備較為困難、AlGaN材料的摻雜困難、AlGaN/AlGaN量子阱結構中強的極化效應等。目前,高質量AlGaN基材料制備是實現高性能紫外LED器件的首要條件。由于AlN、GaN同質襯底的缺乏,絕大部分AlGaN基紫外LED器件主要是以異質外延的方式在藍寶石、碳化硅等襯底上制備[11,12]。因此紫外LED器件的制造仍然很大程度上依賴于大規模、低成本和紫外透明的AlN/藍寶石襯底。然而由于異質外延時襯底與外延層之間晶格失配和熱失配的存在,不僅產生大量的位錯,較大殘余應力也會使AlGaN材料出現微裂紋甚至斷裂,這影響了AlGaN的晶體質量,也不利于后續紫外光電子器件的制備。為解決這些問題,研究人員提出了脈沖原子層外延(PALE)、遷移增強外延生長法(MEE)、高溫退火(HTA)等方法[13,14,15]。
     
    在本工作中采用一步高溫金屬有機物化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)法在藍寶石襯底上直接外延AlN薄膜,通過調節MOCVD生長模式用低壓強、高生長溫度和低Ⅴ/Ⅲ比來增加橫向生長速率,在生長過程中界面形成了一些高密度納米級孔洞,并發現納米級孔洞有降低外延層位錯的作用,在此基礎上外延生長了275 nm波段的深紫外LED薄膜,最終獲得低開啟電壓和良好整流性能的深紫外LED器件。
     
    1 實 驗
    1.1 AlN外延層的生長
    在藍寶石襯底上以NH3、TMA、TMG分別作為N源、Al源、GaN源,H2作為載氣。先采用一步高溫MOCVD法在(0001)面的藍寶石襯底生長AlN外延層。在壓強50 mbar(1 mbar=0.1 kPa)、Ⅴ/Ⅲ比500、溫度1200 ℃的條件下生長2 h。
     
    1.2 AlGaN基紫外LED的生長
    AlGaN基DUV-LED結構包括2 µm n-AlGaN層,五周期AlGaN多量子阱(MQW)和p-GaN接觸層。生長后,p型層在反應腔中在800℃的氮氣氣氛中退火20 min,以激活Mg受體。
     
    1.3紫外LED器件的制備
    藍寶石襯底上的深紫外紫外LED器件結構外延生長完成后,分別在器件的n型和p型兩側制備電極。需要通過電感耦合等離子刻蝕(inductively coupled plasma, ICP)工藝制備,隨后采用真空蒸鍍的方法在n型AlGaN側進行了Ti(40 nm)/Al(150 nm)/Ni(20 nm)/Au(50 nm)電極的制備,最后在樣品p-GaN的一側進行了Ni(5 nm)/ Au(50 nm)電極的制備。
     
    1.4 表征測試
    AlGaN基深紫外LED樣品的微觀形貌通過原子力顯微鏡(AFM,Veeco,Dimension 3100)和透射電子顯微鏡(TEM,FEI,Talos F200X Scios)觀察,分析器件各外延層的結構和位錯類型與分布。通過陰極熒光(CL,Oxford Monon-CL2)分析樣品表面的發光特性。通過I-V曲線圖分析紫外LED的電學性質。
     
    2 結果與討論
    2.1微觀形貌與結構分析
    通過AFM可以非常直觀地看出藍寶石襯底上外延生長的AlGaN基深紫外LED的表面形貌,如圖1所示,選擇測試區域為10 μm×10 μm,可以看到GaN層薄膜GaN層薄膜表面十分清晰的原子臺階,表面粗糙度在0.18 nm,表面沒有裂紋與凹坑和開裂,反映出薄膜具有十分平整的形貌。
     
    為了進一步分析紫外LED薄膜的具體結構特性,利用聚焦離子束(focused ion beam, FIB)制備截面TEM的樣品。深紫外LED整體的截面結構如圖2(a)所示,并利用EDX能譜分析得到各層的結構。圖2(a)中白色框圖處為在界面處形成的高密度納米級孔洞,孔洞密度約為8.0×109 cm-2?锥吹男纬稍从3D島之間的高速橫向生長速率和較大的高/寬比。高的生長溫度和低Ⅴ/Ⅲ比都增加了Al原子在材料表面的擴散,增加了橫向生長速率。此外較低的壓強也有利于橫向生長。因此在底部生長未完成之前,上方已經合并完成,導致孔洞的產生[16,17,18]。
     
    AlGaN量子阱層為最上層AlGaN的表面,如圖2(b)中所示,可以看到清晰的5層量子阱結構。通過EDX可以計算出量子阱Al組分含量為30%。
     
    2.2外延層位錯分析
    在雙束模式的STEM圖像中,十分容易觀測到位錯類型和分布情況。測試時,選擇g矢量為[0002]時可以觀察到螺位錯和混合位錯,而選擇g矢量為[11-20]時可以觀察到刃位錯和混合位錯。圖3(a)與(b)分別是g矢量為[0002]下明場與暗場的雙束模式STEM圖像,圖3(c)與(d)分別是g矢量為[11-20]下明場與暗場的雙束模式STEM圖像,可以看到AlN和AlGaN外延層中的位錯分布以混合位錯為主,同時也存在著螺位錯與刃位錯。從圖3(c)位置1中可以看到AlN和藍寶石的界面處有大量的位錯,由于相鄰的位錯之間距離較近,一些位錯很快被形成束狀或團狀,其余位錯沿著[0001]方向向上延伸。在經過高密度的納米級孔洞之后(如位置2),部分位錯消失。據報道在納米圖案化襯底模板上側向外延生長(ELOG)時,在AlN的側向生長過程中,圖案化襯底模板的上方容易形成空隙,為位錯終止提供了自由表面,另一方面孔洞還可以釋放應力[19,20,21]。從圖3中可以看到AlN孔洞上層(位置2)的位錯較孔洞下方(位置1)有明顯的減少。在此基礎上外延得到AlGaN層的位錯密度也有所降低(如圖位置3)。但是若孔洞密度過高會導致在AlN晶柱合并的過程中會產生新的位錯。最終得到的AlGaN外延層中位錯密度約為5.6×109 cm-2。
     
    2.3光學性質分析
    使用CL進一步表征了紫外LED薄膜的發光譜線,如圖4所示。在CL譜線中可以看到兩個明顯的發光峰,從左往右分別位于275 nm和550 nm。其中550 nm波段的發光為275 nm波段的倍頻峰。證實了成功制備在275 nm波段發光的深紫外LED。
     
    2.4電學性質分析
    利用工藝分別在器件的n型和p型兩側制備電極,LED器件結構示意圖如圖5(a)所示,圖5(b)為藍寶石襯底上AlGaN基深紫外LED器件的I-V特性曲線,其開始電壓約為4.8 V,在電壓為-3.0 V時,紫外LED器件的反向漏電電流僅為2.23 μA,可以看到該紫外LED器件表現出良好的整流特性。
     
    3 結 論
    本文采用MOCVD方法在藍寶石襯底上成功制備了275 nm波段發光的深紫外LED。通過調節MOCVD生長模式——采用低壓強、高生長溫度和低Ⅴ/Ⅲ比來增加橫向生長速率,有利于高密度納米級孔洞的形成。利用TEM重點分析了外延層中位錯的分布,明顯可以看到AlN納米級孔洞上方的位錯減少,這有利于高質量AlGaN的外延制備。最后成功制備了低開啟電壓和良好整流性能的深紫外LED器件。
     
    參考文獻
    [1] MEI Y, WENG G E, ZHANG B P, et al. Quantum dot vertical-cavity surface-emitting lasers covering the ‘green gap’[J]. Light: Science &amp; Applications, 2017, 6(1): e16199.
    [2] SUN Y, ZHOU K, FENG M X, et al. Room-temperature continuous-wave electrically pumped InGaN/GaN quantum well blue laser diode directly grown on Si[J]. Light: Science &amp; Applications, 2018, 7: 13.
    [3] BAO G H, LI D B, SUN X J, et al. Enhanced spectral response of an AlGaN-based solar-blind ultraviolet photodetector with Al nanoparticles[J]. Optics Express, 2014, 22(20): 24286.
    [4] ZHAO Y M, DONALDSON W R. Ultrafast UV AlGaN metal–semiconductor–metal photodetector with a response time below 25 ps[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2020, 56(3): 1-7.
    [5] LIU X K, GU H, LI K L, et al. AlGaN/GaN high electron mobility transistors with a low sub-threshold swing on free-standing GaN wafer[J]. AIP Advances, 2017, 7(9): 095305.
    [6] CHEN D B, LIU Z K, LIANG J H, et al. A sandwich-structured AlGaN/GaN HEMT with broad transconductance and high breakdown voltage[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(39): 12075-12079.
    [7] WANG Y, LI Z Y, HAO Y, et al. Evaluation by simulation of AlGaN/GaN Schottky barrier diode (SBD) with anode-via vertical field plate structure[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2018, 65(6): 2552-2557.
    [8] WANG J, GU Z Q, LIU X S, et al. An electronic enzyme-linked immunosorbent assay platform for protein analysis based on magnetic beads and AlGaN/GaN high electron mobility transistors[J]. The Analyst, 2020, 145(7): 2725-2730.
    [9] LI D B, JIANG K, SUN X J, et al. AlGaN photonics: recent advances in materials and ultraviolet devices[J]. Advances in Optics and Photonics, 2018, 10(1): 43.
    [10] KNEISSL M, SEONG T Y, HAN J, et al. The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies[J]. Nature Photonics, 2019, 13(4): 233-244.
    [11] 徐明升,胡小波,徐現剛.AlGaN成核層對SiC襯底外延GaN薄膜應力及缺陷影響的研究[J].人工晶體學報,2014,43(6):1346-1350.
    [12] 賁建偉,孫曉娟,蔣 科,等.AlGaN基寬禁帶半導體光電材料與器件[J].人工晶體學報,2020,49(11):2046-2067.
    [13] OZEKI M, MOCHIZUKI K, OHTSUKA N, et al. New approach to the atomic layer epitaxy of GaAs using a fast gas stream[J]. Applied Physics Letters, 1988, 53(16): 1509-1511.
    [14] BANAL R G, FUNATO M, KAWAKAMI Y. Characteristics of high Al-content AlGaN/AlN quantum wells fabricated by modified migration enhanced epitaxy[J]. Physica Status Solidi C, 2010, 7(7/8): 2111-2114.
    [15] MIYAKE H, NISHIO G, SUZUKI S, et al. Annealing of an AlN buffer layer in N2–CO for growth of a high-quality AlN film on sapphire[J]. Applied Physics Express, 2016, 9(2): 025501.
    [16] ZHANG L S, XU F J, WANG J M, et al. High-quality AlN epitaxy on nano-patterned sapphire substrates prepared by nano-imprint lithography[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 35934.
    [17] LIU X H, ZHANG J C, SU X J, et al. Fabrication of crack-free AlN film on sapphire by hydride vapor phase epitaxy using an <i>in situ</i> etching method[J]. Applied Physics Express, 2016, 9(4): 045501.
    [18] HE C G, ZHAO W, WU H L, et al. High-quality AlN film grown on sputtered AlN/sapphire via growth-mode modification[J]. Crystal Growth &amp; Design, 2018, 18(11): 6816-6823.
    [19] CONROY M, ZUBIALEVICH V Z, LI H N, et al. Epitaxial lateral overgrowth of AlN on self-assembled patterned nanorods[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2015, 3(2): 431-437.
    [20] ZHAO E, XU Y, CAO B, et al. Microstructural and optical properties of GaN buffer layers grown on graphene[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2018, 57(8): 085502.
    [21] DONG P, YAN J C, WANG J X, et al. 282-nm AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes with improved performance on nano-patterned sapphire substrates[J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(24): 241113.

    在線客服:

    文閱期刊網 版權所有   

    【免責聲明】:所提供的信息資源如有侵權、違規,請及時告知。

    專業發表機構
    辽宁熟妇高潮45分钟,午夜乱码在线观看不卡,欧美成人午夜福利小视频
    <code id="gkkii"><object id="gkkii"></object></code>
    <bdo id="gkkii"><noscript id="gkkii"></noscript></bdo>
  • <menu id="gkkii"><center id="gkkii"></center></menu>