王美玉，章國安，張振娟，施 敏，朱曉軍，朱友華

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019）

由于高效率的AlGaN基深紫外發(fā)光二極管（記為AlGaN－UV－LEDs，以下簡記為 UV－LEDs）在生物制劑的檢測(cè)、固態(tài)白光照明，以及空氣凈化應(yīng)用等方面受到極大的關(guān)注。近年來，許多研究人員通過使用鋁鎵氮合金，制備出發(fā)光波長位于300nm以下的深紫外發(fā)光二極管［1－7］。但在開發(fā)高性能 UV－LEDs的過程中，也常備受一些困擾。比如：生長出高品位的Al－GaN或AlN薄膜，是提高其發(fā)光效率的先決條件；高質(zhì)量AlN襯底也是獲得高品位AlGaN外延薄膜的最常用的襯底之一［8］。此外，由于受電子溢出［9］或 Mg擴(kuò)散［10］而導(dǎo)致的非帶邊峰發(fā)光在UV－LEDs的相關(guān)論文中也經(jīng)常有相應(yīng)的報(bào)道。研究人員為了消除此寄生發(fā)光峰，采用高Al組分的AlGaN中間層作為電子阻擋層［11］。在本文中，將對(duì)具有AlN襯底上的UVLEDs的器件結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性改善之間的因果關(guān)系等進(jìn)行科學(xué)的探討。

1 實(shí)驗(yàn)

UV－LEDs結(jié)構(gòu)的樣品是在一個(gè)水平腔MOCVD系統(tǒng)（日本酸素SR－2000）中生長。SiH4和Cp2Mg分別用于n型和p型的摻雜。其中50.8mm（2英寸）直徑的AlN襯底被用來作為底層基板，而該襯底是通過MOCVD系統(tǒng)，在c－面藍(lán)寶石上生長的1μm厚的AlN薄膜［8］。有報(bào)告曾提及：無裂紋且相對(duì)高質(zhì)量的AlGaN薄膜可直接生長在AlN襯底上［12］。

研發(fā)出屬于C區(qū)（265nm附近）的深紫外發(fā)光二極管，主要是基于以下的生長方法：在AlN襯底上生長0.5μm 厚的Al0.6Ga0.4N層；所生長的是有源區(qū)，該區(qū)域主要是在n型Al0.6Ga0.4N蓋層上，由五周期的Al00.49Ga0.51N 量 子阱層（3nm）和一個(gè) Al0.55Ga0.45N壘層（5nm）所形成的，并隨后由一個(gè)p型 Al0.6Ga0.4N蓋層（25nm）的沉積。最后形成的是p－型 Al0.3Ga0.7N層（25nm）和p型GaN接觸層。在本研究中，對(duì)如下兩種結(jié)構(gòu)的LEDs進(jìn)行相應(yīng)的比較：含有1μm厚的n－AlGaN和25nm的厚度的p－GaN接觸層（記為樣品A）：n－AlGaN的厚度為1.7μm 和p－GaN厚度為200 nm（記為樣品B），而其他外延層的厚度均一樣。此外，還有另外一個(gè)結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)之處是：B型樣品的活性層區(qū)域和p型蓋層之間有1nm厚的i－AlN電子阻擋層。為了確認(rèn)i－AlN是否成功生長，通過斷面透射掃描電鏡對(duì)器件結(jié)構(gòu)特征做了簡要的表征。

在對(duì)500μm×500μm臺(tái)面型結(jié)構(gòu)的LED器件工藝制作過程中，使用的是光刻、刻蝕以及蒸鍍等傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝加工［13］。比如：n－AlGaN層的一側(cè)通過反應(yīng)性離子蝕刻后做n歐姆接觸電極；Mg受主的活性化退火是在800℃氮?dú)夥諊羞M(jìn)行30min爐內(nèi)慢性退火；使用常規(guī)電子束（EB）蒸發(fā)沉積出n－歐姆接觸金屬層 Ti／Al／Ni／Au（15／70／12／60nm），并隨后被快速退火，其條件是在900℃的氮?dú)夥諊?0s；然后，在GaN的表面上，通過同樣的EB法沉積出Ni／Au（6／12nm）p型歐姆接觸金屬層，并在空氣氛圍中于600℃退火3min；最后，在p型歐姆接觸金屬層之上再沉積出Ni／Au的（5／60nm）的p型接觸電極。在對(duì)器件性能表征方面，從LEDs芯片的背面通過底層的藍(lán)寶石所發(fā)出的電致發(fā)光譜（EL）用SD2000分光計(jì)（海洋光學(xué)公司）探測(cè)；輸出功率由放置在樣品的緊鄰背面?zhèn)鹊墓夤β时恚℉amamatsu H8025－254）測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

圖1顯示的是樣品B的斷面透射掃描電鏡圖。從中可以非常清楚地觀測(cè)到i－AlN僅有1nm厚的插入層成功地得以生長。此外，下面的多量子阱（MQWs）的界面也相當(dāng)平整。這些結(jié)構(gòu)特征可以驗(yàn)證本研究中的UV－LEDs器件具有高品位的外延晶體質(zhì)量。因此可以期待其將表現(xiàn)出良好的器件發(fā)光性能。

圖2顯示的是在室溫與8A／cm2直流電流（DC）注入下2個(gè)樣品的電致發(fā)光譜（EL），插圖為LEDs的示意性結(jié)構(gòu)圖。在此圖中可以清楚地看出：樣品A除了可觀察到264nm附近的近帶邊發(fā)光峰（NBE）之外，另有一個(gè)非常明顯且較強(qiáng)的寄生發(fā)光峰（SBE），峰值位約在320nm處；B樣品有更強(qiáng)的NBE，其半高寬值約9nm；但320nm處的SBE峰強(qiáng)度卻急劇下降。一般推測(cè)對(duì)應(yīng)的SBE歸因于載流子從多量子井區(qū)域溢出到p－AlGaN層或Mg從p－AlGaN層擴(kuò)散至多量子井而導(dǎo)致的。在此可以得出，本文中所探討的器件結(jié)構(gòu)中，通過插入非常薄的1nm的i－AlN層可以有效抑制寄生發(fā)光峰。

圖1 樣品B的斷面透射掃描電鏡圖

圖2 室溫與8A／cm2的注入電流下的樣品A和B的電致發(fā)光光譜

如圖3所示，樣品B的NBE峰與SBE峰的峰高比增至300多，而樣品A的此比率最大值只有10左右。與先前由Adivarahan等報(bào)道類似結(jié)構(gòu)的器件性能相比，B樣品中得到的值顯得相對(duì)更高（在50A／cm2直流注入下的比率是100）［14］。因此，進(jìn)一步可以得出以下結(jié)論：使用本文中的1nm的i－AlN層，在多量子阱發(fā)光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了更好的載流子約束，進(jìn)而改善了載流子的復(fù)合率。同時(shí)也可以預(yù)測(cè)出光功率也將得以較大的提高。

圖3 樣品A和B在不同的注入電流密度下的NBE與SBE峰高值比

圖4 樣品A和B在不同電流密度注入下的輸出功率

圖4所示為在室溫及不同注入電流密度下歸一化后2個(gè)樣品的輸出功率。相當(dāng)明顯的是：樣本B的輸出功率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樣品A。在輸入電流密度為16 A／cm2下，與樣品A對(duì)比，樣品B的最大輸出功率約為樣品A的20倍，進(jìn)一步證明：使用薄的i－AlN電子阻擋層可以改善UV－LEDS的發(fā)光特性。其實(shí)，若考慮其他改善因素，還發(fā)現(xiàn)較厚的 n－Al00.6Ga0.4N 蓋層也能有效地減少電流擁擠效應(yīng)［15］；較厚的p－GaN層也可以改善表面平坦性和起到更好的p型歐姆接觸效果。因此，除了薄的i－AlN插入層的效果之外，這些結(jié)構(gòu)上的合理調(diào)整也對(duì)本研究中的UV－LEDs的發(fā)光特性改善起到一定的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

本文簡要探討了264nm波段的 AlGaN－UVLEDs發(fā)光性能的改善。通過實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：通過在活性區(qū)域和p型蓋層之間插入1nm的i－AlN的電子阻擋層，可以非常有效地抑制320nm處的寄生發(fā)光峰；LED在活性區(qū)域也表現(xiàn)出了更好的光譜純度和良好的載流子限制效應(yīng)；對(duì)樣品結(jié)構(gòu)中的某些外延層的厚度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)應(yīng)UV－LEDs的輸出功率提高了20多倍。

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［1］Hirayama H.231－261nm AlGaN deep－ultraviolet light－emitting diodes fabricated on AlN multilayer buffers grown by NH3pulse－flow method on sapphire［J］.Appl Phys Lett，2007，91（7）：071901－1－3.

［2］Zhang J C，Zhu Y H，Egawa T，et al.Suppression of the subband parasitic peak by 1nm i－AlN interlayer in AlGaN deep ultraviolet light－emitting diodes［J］.Appl Phys Lett，2008，93 （13）：1311171－3.

［3］Zhang J C，Zhu Y H，Egawa T，et al.Quantum－well and localized state emissions in AlInGaN deep ultraviolet light－emitting diodes［J］.Appl Phys Lett，2007，91（22）：221906－1－3.

［4］Sakai Y，Zhu Y，Sumiya S，et al.Demonstration of AlGaN－Based Deep－Ultraviolet Light－Emitting Diodes on High－Quality AlN Templates［J］.Jpn J Appl Phys，2010，49（2）：022102－1－4.

［5］Shibata T，Asai K，Sumiya S，et al.High－quality AlN epitaxial films on（0001）－faced sapphire and 6H－SiC substrate［J］.Phys Status Solidi C，2003（7）：2023－2026.

［6］Liao Y，Thomidis C，Kao C K，et al.AlGaN based deep ultraviolet light emitting diodes with high internal quantum efficiency grown by molecular beam epitaxy［J］.Appl Phys Lett，2011，98（8）：081110－1－3.

［7］Grandusky J R，Chen J，Gibb S R，et al.270nm Pseudomorphic Ultraviolet Light－Emitting Diodes with Over 60mW Continuous Wave Output Power［J］.Appl Phys Express，2013，6（3）：032101－1－3.

［8］Dong P，Yan J，Wang J，et al.282－nm AlGaN－based deep ultraviolet light－emitting diodes with improved performance on nano－patterned sapphire substrates［J］.Appl Phys Lett，2013，102（24）：241113－1－4.

［9］Zhang J P，Wu S，Rai S，et al.AlGaN multiple－quantum－wellbased，deep ultraviolet light－emitting diodes with significantly reduced long－wave emission［J］.Appl Phys Lett，2003，83（17）：3456－3458.

［10］Shatalov M，Chitnis A，Mandavilli V，et al.Time－resolved electroluminescence of AlGaN－based light－emitting－diodes with emission at 285nm［J］.Appl Phys Lett，2003，82（2）：167－169.

［11］Sun W H，Zhang J P，Adivarahan V，et al.AlGaN－based 280nm light－emitting diodes with continuous wave powers in excess of 1.5mW［J］.Appl Phys Lett，2004，85（4）：531－533.

［12］Sumiya S，Zhu Y H，Zhang J C，et al.AlGaN－based deep ultraviolet light－emitting diodes grown on epitaxial AlN／sapphire templates［J］.Japanese Journal of Applied Physics，2008，47（1）：43－46.

［13］Zhu Y H，Zhang J C，Chen Z T，et al.Demonstration on GaN－based light－emitting diodes grown on 3C－SiC／Si（111）［J］.J Appl Phys，2009，106（12）：124506－1－4.

［14］Adivarahan V，Wu S，Zhang J P，et al.High－efficiency 269nm emission deep ultraviolet light－emitting diodes［J］.Appl Phys Lett，2004，84（23）：4762－4764.

［15］Fischer A J，Allerman A A，Crawford M H，et al.Room－temperature direct current operation of 290nm light－emitting diodes with milliwatt power levels［J］.Appl Phys Lett，2004，84（17）：3394－3396.