封波 鄧彪 劉樂功 李增成 馮美鑫 趙漢民 孫錢

1)(南昌大學(xué),國家硅基LED工程技術(shù)研究中心,南昌 330047)

2)(晶能光電(江西)有限公司,南昌 330029)

3)(中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,中科院納米器件與應(yīng)用重點實驗室,蘇州 215123)

等離子體表面處理對硅襯底GaN基藍光發(fā)光二極管內(nèi)置n型歐姆接觸的影響?

封波1)2)鄧彪2)劉樂功2)李增成2)馮美鑫3)趙漢民2)孫錢2)3)?

1)(南昌大學(xué),國家硅基LED工程技術(shù)研究中心,南昌 330047)

2)(晶能光電(江西)有限公司,南昌 330029)

3)(中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,中科院納米器件與應(yīng)用重點實驗室,蘇州 215123)

(2016年10月13日收到;2016年11月21日收到修改稿)

硅襯底GaN基發(fā)光二極管(LED)的內(nèi)置n型歐姆接觸在晶圓鍵合時的高溫過程中常常退化,嚴重影響LED的工作電壓等器件性能.本文深入研究了內(nèi)置n電極蒸鍍前對n-GaN表面的等離子體處理工藝對硅襯底GaN基發(fā)光二極管n型歐姆接觸特性的影響.實驗結(jié)果表明,1.1 mm×1.1 mm的LED芯片在350 mA電流下,n-GaN表面未做等離子體處理時,n電極為高反射率Cr/Al的芯片正向電壓為3.43 V,比n電極為Cr的芯片正向電壓高0.28 V.n-GaN表面經(jīng)O2等離子體表面處理后,Cr/Al和Cr電極芯片的正向電壓均有所降低,但Cr/Al電極芯片的正向電壓仍比Cr電極芯片高0.14 V.n-GaN表面經(jīng)Ar等離子體處理后,Cr/Al電極芯片正向電壓降至Cr電極芯片的正向電壓,均為2.92 V.利用X射線光電子能譜對Ar等離子體處理前后的n-GaN表面進行分析發(fā)現(xiàn),Ar等離子體處理增加了n-GaN表面的N空位(施主)濃度,更多的N空位可以提高n型歐姆接觸的熱穩(wěn)定性,緩解晶圓鍵合的高溫過程對n型歐姆接觸特性的破壞.同時還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過Ar等離子體處理并用HCl清洗后,n-GaN表面的O原子含量略有增加,但其存在形式由以介電材料GaOx為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電材料GaOxN1-x和介電材料GaOx含量相當?shù)臓顟B(tài),這會使得接觸電阻進一步降低.上述兩方面的變化均有利于降低LED芯片的正向電壓.

氮化鎵,發(fā)光二極管,等離子體表面處理,n型歐姆接觸

1 引 言

GaN基發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通用照明、全彩顯示、汽車頭燈和消費電子等領(lǐng)域[1,2].通過晶圓鍵合和襯底剝離技術(shù)制備的垂直結(jié)構(gòu)LED,其p電極采用整面高反射率的Ag基金屬焊接在高電導(dǎo)、高熱導(dǎo)的基板上,n電極為格柵狀導(dǎo)線置于n-GaN表面,具有電流擴散好、取光效率高、襯底散熱快等優(yōu)點,被視為大功率LED的最佳選擇之一[3-5].然而,這種垂直結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍然存在一些缺點,如n電極會吸收有源區(qū)發(fā)出的一部分光[6,7],n電極犧牲的發(fā)光面積與n面電流擴展之間的矛盾等,尤其在大電流注入下影響著LED的外量子效率.為了解決上述問題,研究人員研發(fā)了n電極內(nèi)置的LED結(jié)構(gòu)[8-10],采用一層絕緣材料把p,n電極隔離開,n電極采用通孔的方式從p面連接到n-GaN.這種新型設(shè)計不僅消除了GaN表面格柵狀的n電極對光的遮擋吸收效應(yīng),而且通過均勻分布在芯片之中的內(nèi)置n電極(直接連接在導(dǎo)電基板上)顯著改善了電流擴展.文獻[9]中格柵狀n電極LED在電流密度為14 A/cm2時,發(fā)光明顯不均勻,反映出靠近焊盤區(qū)域電流密度大于焊盤對面區(qū)域,影響了發(fā)光效率.而n電極內(nèi)置的LED,即使在電流密度為14 A/cm2時芯片發(fā)光仍然均勻.

上述兩種結(jié)構(gòu)的LED在器件工藝上有著較大的差別.格柵狀的n電極在晶圓鍵合及襯底去除之后才制備,而內(nèi)置的n電極在晶圓鍵合前就制備完成,也就是說制備好的n型接觸需要經(jīng)歷晶圓鍵合時的高溫過程,容易導(dǎo)致LED的n型歐姆接觸產(chǎn)生退化,正向工作電壓升高.Greco等[11]把n電極和n-GaN接觸的相關(guān)文獻進行了總結(jié)：當n-GaN的摻雜達到一定濃度時,n型接觸由于隧穿效應(yīng),在未退火時即呈現(xiàn)歐姆特性,但是在經(jīng)歷200—400?C的中間溫度退火后n型金半接觸可能會變?yōu)檎魈匦?因此為了獲得穩(wěn)定的歐姆接觸,一般會對n型金半接觸進行至少400?C以上的高溫退火.然而高溫過程會使p面的Ag基反射鏡產(chǎn)生金屬“球聚”,嚴重影響p電極的反射率和接觸特性[12,13].因此,對于具有內(nèi)置n電極的LED而言,n型金半接觸必須要經(jīng)歷鍵合過程(鍵合溫度剛好在前文提及的歐姆接觸容易退化的200—400?C中間溫度范圍),而且要在不能高溫退火的條件下獲得良好的歐姆接觸特性,這是一項既具有挑戰(zhàn)但又十分重要的工作.本文通過等離子體表面處理的方法解決了具有內(nèi)置n電極的LED的n型歐姆接觸問題,獲得了良好的n-GaN歐姆接觸電極制備工藝,大幅降低了LED的正向電壓.同時采用X射線光電子能譜(XPS)等手段分析了其中的物理機理.

2 實 驗

采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)在Si(111)襯底上生長LED外延片[14,15].該外延結(jié)構(gòu)包括約1μm厚的AlN/AlGaN緩沖層[16],1μm厚的不摻雜u-GaN層,3μm 厚的n-GaN層(摻Si濃度為8×1018cm-3),0.1μm厚的In-GaN/GaN多量子阱層和0.2μm厚的p-GaN層.生長完成后,將外延片置于氣氛為N2：O2=4：1、溫度為550?C的爐管中退火15 min,用于激活p-GaN中的Mg受主.LED芯片的制備過程如下：1)用硫酸和雙氧水的混合溶液清洗掉外延片表面的污染物,用稀氫氟酸溶液去除p-GaN表面的氧化物;2)用電子束蒸鍍的方法在外延片表面蒸鍍Ag基反射鏡,并用快速熱處理系統(tǒng)(RTA)對Ag基反射鏡做合金處理,使之與p-GaN形成良好的歐姆接觸;3)采用光刻和腐蝕工藝使反射鏡圖形化;4)用光刻和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù),對反射鏡圖形內(nèi)的外延表面進行刻蝕,直至n-GaN露出;5)用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)在外延片表面沉積一層800 nm厚的SiO2絕緣層,用于隔離p面和n面的金屬,并采用光刻和腐蝕的方法去除掉n-GaN表面的SiO2層;6)用電子束蒸鍍和剝離(lift-off)的方法在n-GaN表面形成n型接觸.為了改善金屬和n-GaN表面的接觸特性,在蒸鍍n電極之前,利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)系統(tǒng)對n-GaN表面分別進行了O2和Ar等離子體處理(RIE的射頻功率為80 W,處理時間為5 min),等離子體處理之后,用HCl：H2O=1：1的溶液清洗n-GaN的表面,再用去離子水清洗并甩干;等離子體處理的流程如圖1所示.為了排除外延工藝對實驗結(jié)果的影響,本文選取同一外延生長爐次的6片外延片進行實驗,分別標記為A,B,C,D,E和F,其中,A,B,C的n電極為Cr(30 nm)/Pt(50 nm)/Au(50 nm),D,E,F的n電極為Cr(1.1 nm)/Al(150 nm)/Cr(30 nm)/Pt(50 nm)/Au(50 nm),其中,樣品A和樣品D沒有進行等離子體表面處理,樣品B和樣品E用O2等離子體表面處理,樣品C和樣品F用Ar等離子體表面處理;7)n電極制備完成后,在外延片表面蒸鍍包含有Ti,Pt,Ni,Sn,Au的鍵合金屬層,利用晶圓鍵合技術(shù),將外延片和蒸鍍有同樣鍵合金屬層的Si(100)基板壓合在一起;8)把用于外延生長的Si(111)襯底在氫氟酸、硝酸和冰乙酸的混合液中去除,實現(xiàn)GaN薄膜的轉(zhuǎn)移,得到氮極性面朝上的GaN;9)用ICP技術(shù)對AlN表面進行刻蝕處理,使緩沖層AlN/AlGaN完全去除,露出n-GaN.然后,在KOH溶液中對整個外延片表面做粗化處理,結(jié)合光刻和腐蝕技術(shù)把部分n-GaN去除,露出部分Ag基反射鏡金屬和SiO2絕緣層,實現(xiàn)了芯片之間的隔離;10)采用光刻和電子束蒸鍍技術(shù),于露出的Ag基反射鏡金屬上制備出用于焊線的焊盤.

本文中LED芯片的尺寸為1.1 mm×1.1 mm,其截面示意圖見圖2(c).從每種樣品中選取20個以上峰值波長為456 nm的LED芯片,利用積分球系統(tǒng)測試室溫下LED芯片的光電參數(shù).采用XPS分析n-GaN表面的化學(xué)結(jié)合特性.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)等離子體處理的流程示意圖Fig.1.(color online)Schematic of Ar plasma treatment process.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)LED芯片的(a)SEM圖,(b)光學(xué)顯微鏡圖,(c)截面示意圖Fig.2.(color online)(a)A SEM image,(b)an optical microscope image,(c)a schematic cross-sectional view of LED chip.

3 結(jié)果與討論

圖2(a)和圖2(b)分別為LED芯片在掃描電子顯微鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡中的圖片,兩者看起來有一些不同,在光學(xué)顯微鏡中可以看到的黑色圓圈在SEM中卻看不到.這是因為這些黑色的圓圈是由通孔的方式在LED芯片內(nèi)部制備的n型接觸所形成,然而n-GaN雖為光學(xué)透明,但是在SEM中卻無法看到n-GaN的內(nèi)部結(jié)構(gòu),故僅能看到其表面形貌.

圖3所示為不同樣品對應(yīng)的LED芯片在350 mA電流下的正向電壓的箱型圖.對于n電極為Cr/Pt/Au(Cr電極芯片)和Cr/Al/Cr/Pt/Au(Cr/Al電極芯片)的LED芯片,在n電極蒸鍍前未做等離子體處理,Cr/Al電極芯片(樣品A)的正向電壓為3.43 V,比Cr電極芯片(樣品D)的3.15 V高了0.28 V.這是由于Cr和n-GaN具有良好的歐姆接觸[11],而樣品D的Cr厚度僅為1.1 nm,在下文的討論中可知Cr并未能完全覆蓋其接觸的n-GaN表面,即和n-GaN接觸的界面為Cr和Al的混合接觸.Al對n-GaN表面狀態(tài)更敏感,和未做等離子體表面處理的n-GaN的歐姆接觸并不穩(wěn)定,在晶圓鍵合過程中的高溫作用下,其歐姆接觸特性發(fā)生退化[17].樣品B和樣品E在n電極蒸鍍前經(jīng)O2等離子體處理后,兩組樣品的電壓都得到大幅度降低,說明O2等離子體處理有效地改善了n電極和n-GaN的歐姆接觸特性.其中Cr電極芯片(樣品B)的正向電壓降低了0.2 V,達到2.95 V,Cr/Al電極芯片(樣品E)的正向電壓降低了0.34 V,達到3.09 V.盡管如此,樣品B仍然比樣品E的電壓高了0.14 V.樣品C和樣品F在n電極蒸鍍前經(jīng)過Ar等離子體處理后,樣品C的正向電壓進一步降低至2.92 V,而樣品F的正向電壓降低的幅度更大,降至樣品C一樣.這表明與O2等離子體處理相比,Ar等離子體處理使得n-GaN表面的工藝窗口更大,金半接觸特性已經(jīng)和n電極的種類無關(guān).

圖3 (網(wǎng)刊彩色)不同樣品在350 mA電流下的正向電壓的箱型圖Fig.3.(color online)Box chart of forward voltage for different types of LED samples at 350 mA.

為了深入理解等離子體處理是如何改善電極和n-GaN的金半接觸特性,本文選取對金半接觸特性改善更明顯的Ar等離子體處理的樣品進行研究,用XPS分析了樣品Ar等離子體處理前后的n-GaN表面的化學(xué)結(jié)合特性.同時,對樣品經(jīng)過Ar等離子體處理但是未做HCl清洗的中間狀態(tài)也一并進行分析.用于XPS表面掃描的X射線源為Al的KαX射線.測試時,每個樣品的C 1s的主峰位的結(jié)合能均定為284.5 eV.圖4所示為樣品n-GaN表面在不同處理條件下Ga 3d的化學(xué)結(jié)合態(tài),利用高斯洛倫茲擬合,把Ga 3d光電子譜分成Ga-N和Ga-O兩個峰.從圖中可以看出樣品經(jīng)過Ar處理(未做HCl清洗)后,Ga 3d譜明顯變寬,Ga-N峰變?nèi)?Ga-O峰變強,說明n-GaN表面的O含量明顯增加.但經(jīng)過HCl清洗后,Ga 3d譜的形狀基本恢復(fù)到了處理前的狀態(tài),說明HCl清洗有效地去除了樣品n-GaN表面的O含量.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)不同處理工藝下的Ga 3d XPS譜Fig.4.(color online)XPS spectra of Ga 3d for different surface treatment.

用同樣的方法對樣品n-GaN表面O 1s光電子譜進行分析,O 1s的光電子譜如圖5所示,n-GaN表面O 1s光電子譜的變化規(guī)律和對Ga 3d光電子譜的分析結(jié)果一致.未做Ar處理時,樣品表面的O含量主要是以O(shè)—Ga鍵的形式存在,O—N鍵含量很少.經(jīng)過Ar處理后,樣品n-GaN表面O含量急劇升高,O—Ga鍵和O—N鍵的含量都升高了.經(jīng)過HCl清洗之后,n-GaN表面總體的O含量降低了,但是O—N鍵卻相對更多地得到了保留.O—Ga鍵主要存在于介電材料GaOx中,而O—N鍵則存在于導(dǎo)電材料GaOxN1-x中[18].

圖5 (網(wǎng)刊彩色)不同處理工藝下的O 1s XPS譜Fig.5.(color online)XPS spectra of O 1s for different surface treatment.

為方便定量討論,我們把Ar等離子體處理前后樣品n-GaN表面的元素組分的百分比列在表1中.一方面,樣品在晶圓鍵合的過程中,相當于經(jīng)歷了280?C的合金處理.合金時,鎵空位(VGa),O—Ga中的O原子以及N空位(VN)會發(fā)生如下反應(yīng)[19]：VN+O→ON,VGa+ON→VGa-ON,VGa-ON是一種受主,不利于n型接觸.從表1可以看出,Ar等離子體處理前、后樣品n-GaN表面的Ga原子濃度幾乎保持不變,N原子的濃度卻由30.1%降低至25.7%,這意味著樣品n-GaN表面的VN顯著增加了,因此,在經(jīng)歷合金過程對VN的消耗之后,樣品C和F的n-GaN表面的VN剩余得更多,VN是一種施主[20,21],有利于n型歐姆接觸,這是樣品C和F電壓降低的一個原因.另一方面,經(jīng)過Ar處理和HCl清洗后,樣品n-GaN表面總的O含量升高了,由等離子體處理前的11.9%升高至處理后的16.6%.不過,通過表1可以發(fā)現(xiàn),O—Ga中的O含量幾乎沒有變化(僅降低了0.4%),但是O—N中的O含量卻由1.8%顯著增加至6.9%.Ar處理沒有改變n-GaN表面介電材料GaOx的含量,卻大幅增加了表面導(dǎo)電材料GaOxN1-x的含量.導(dǎo)電材料GaOxN1-x有效地改善了n電極和n-GaN的歐姆接觸特性,這是樣品C和F正向電壓降低的另一個重要原因.

表1 Ar等離子體處理前后n-GaN表面原子濃度Table 1.Surface atomic concentration of n-GaN before and after Ar plasma treatment.

圖6所示為不同樣品在350 mA電流下的光輸出功率的箱型圖.對于在n電極蒸鍍前未做等離子體表面處理的樣品A和樣品D,其光輸出功率均比同組的經(jīng)過等離子體表面處理的樣品要高出約3%,這可能是由于它們的正向電壓遠高于同組樣品導(dǎo)致.更高的正向電壓是由更大的n型歐姆接觸電阻所引起,更大的歐姆接觸電阻阻礙了電流往縱向流動,這將迫使電流更多地往橫向擴展,故正向電壓偏高會導(dǎo)致亮度偏高.盡管如此,它們正向電壓至少升高了7.9%,故電光轉(zhuǎn)換效率還是低于同組的樣品.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)不同樣品在350 mA電流下的光輸出功率箱型圖Fig.6.(color online)Box chart of light output power for different types of LED samples at 350 mA.

對于波長為456 nm的入射光,Cr/Al/Cr/Pt/Au的反射率達到了83.0%,遠高于Cr/Pt/Au的34.9%,如圖7所示(作為對比,同時測了Al的反射率為91.1%,說明1.1 nm的Cr并沒有完全覆蓋住n-GaN的表面,這也是樣品A和D電壓不同的原因).但是樣品F的亮度和樣品C基本相等,n電極具有更高的反射率卻沒有使光功率有明顯提升,這和Jeong等[22]報導(dǎo)的結(jié)果不一致,其原因可能是因為內(nèi)置n接觸區(qū)域?qū)?yīng)的僅為n-GaN,n-GaN本身不發(fā)光,加上芯片表面粗化的設(shè)計,量子阱發(fā)出的光很容易出射到GaN外面,因全反射打到n電極表面的光子不多,所以高反射率的n電極并沒有帶來亮度的提升.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)Cr/Pt/Au,Cr/Al/Cr/Pt/Au和Al三種金屬電極的反射率隨入射波長的變化Fig.7.(color online)Reflectivity of Cr/Pt/Au,Cr/Al/Cr/Pt/Au and Al as a function of incident light wavelength.

4 結(jié) 論

本文深入研究了等離子體表面處理對n電極內(nèi)置的硅襯底GaN基LED的n型歐姆接觸的影響及其相關(guān)物理機理.通過在n電極蒸鍍前對n-GaN表面進行等離子體處理,得到了正向電壓更低的芯片,說明等離子體表面處理有效地改善了n型歐姆接觸特性,并且抑制了晶圓鍵合時高溫過程對n型歐姆接觸的破壞.利用XPS對其中的物理機理進行了分析.實驗結(jié)果表明,1.1 mm×1.1 mm的芯片在350 mA電流下,n-GaN未做等離子體表面處理時,n電極為高反射率Cr/Al和Cr的芯片正向電壓分別為3.43 V和3.15 V.這是由于Al前面的Cr沒有完全覆蓋住n-GaN的表面,而Al比Cr對n-GaN表面狀態(tài)更敏感.經(jīng)等離子體處理后,兩種n電極的芯片正向電壓均大幅降低.O2等離子體處理后,Cr/Al電極芯片的正向電壓為3.09 V,仍高于Cr電極芯片的2.95 V.而Ar等離子體處理后,Cr/Al電極芯片的正向電壓和Cr電極芯片一樣,都為2.92 V,這說明Ar等離子體處理后的n-GaN表面的工藝窗口更大,使得n型接觸特性和n電極的種類無關(guān).利用XPS對Ar等離子體處理前后n-GaN表面進行化學(xué)結(jié)合特性分析,發(fā)現(xiàn)Ar等離子體處理降低了n-GaN表面N原子濃度,增加了O原子濃度,這兩者對芯片電壓的降低均有幫助.N原子濃度降低意味著VN的增加,這有利于n型接觸的熱穩(wěn)定性,可以緩解晶圓鍵合的高溫過程對接觸特性的破壞.雖然O原子濃度增加了,但增加的O氧原子濃度全部存在于有利于接觸特性的導(dǎo)電材料GaOxN1-x中,而不利于接觸特性的介電材料GaOx的含量沒有改變.

[1]Nakamura S,Senoh M,Mukai T 1993Jpn.J.Appl.Phys32 L8

[2]Narukawa Y,Ichikawa M,Sanga D,Sano M,Mukai T 2010J.Phys.D:Appl.Phys.43 354002

[3]Haerle V,Hahn B,Kaiser S,Weimar A,Bader S,Eberhard F,Pl?ssl A,Eisert D 2004Phys.Status Solidi(a)201 2736

[4]Fujii T,Gao Y,Sharma R,Hu E L,Denbaars S P,Nakamura S 2004Appl.Phys.Lett.84 855

[5]Chu C F,Cheng C C,Liu W H,Chu J Y,Fan F H,Cheng H C,Doan T,Tran C A 2010P.IEEE98 1197

[6]Jeong H H,Sang Y L,Jeong Y K,Choi K K,Song J O,Lee Y H,Seong T Y 2010Electrochem.Solid-State Lett.13 H237

[7]Lee S Y,Choi K K,Jeong H H,Kim E J,Son H K,Son S J,Song J O,Seong T Y 2011Jpn.J.Appl.Phys.50 2005

[8]Laubsch A,Sabathil M,Baur J,Peter M,Hahn B 2010IEEE Trans.Electron Dev.57 79

[9]Hahn B,Galler B,Engl K 2014Jpn.J.Appl.Phys.53 100208

[10]Han J,Le D,Jin B,Jeong H,Song J O,Seong T Y 2015Mat.Sci.Semicon.Pro.31 153

[11]Greco G,Iucolano F,Roccaforte F 2016Appl.Surf.Sci.383 324

[12]Song J O,Kwak J S,ParkY J,Seong T Y 2005Appl.Phys.Lett.86 062104

[13]Son J H,Song Y H,Yu H K,Lee J L 2009Appl.Phys.Lett.35 062108

[14]Leung B,Han J,Sun Q 2014Phys.Status Solidi(c)11 437

[15]Sun Q,Yan W,Feng M X,Li Z C,Feng B,Zhao H M,Yang H 2016J.Semicond.32 044006

[16]Sun Y,Zhou K,Sun Q,Liu J P,Feng M X,Li Z C,Zhou Y,Zhang L Q,Li D Y,Zhang S M,Ikeda M,Liu S,Yang H 2016Nature Photon.158 1

[17]Luther B P,Mohney S E,Jackson T N,Khan M A,Chen Q,Yang J W 1997Appl.Phys.Lett.70 57

[18]Kim H,Park N M,Jang J S,Park S J,Hwang H 2001Electrochem.Solid-State Lett.4 G104

[19]Kim H,Ryou J H,Dupuis R D,Lee S N,Park Y,Jeon J W,Seong T Y 2008Appl.Phys.Lett.93 192106

[20]Liu J,Feng F,Zhou Y,Zhang J,Jiang F 2011Appl.Phys.Lett.99 111112

[21]Kim S J,Nam T Y,Kim T G 2011IEEE Electr.Device L.32 149

[22]Jeong T,Kim S W,Lee S H,Ju J W,Lee S J,Baek J H,Lee J K 2011J.Electrochem.Soc.158 H908

PACS:78.66.Fd,85.60.Jb,52.77.Bn,73.40.Cg DOI:10.7498/aps.66.047801

Effect of plasma surface treatment on embedded n-contact for GaN-based blue light-emitting diodes grown on Si substrate?

Feng Bo1)2)Deng Biao2)Liu Le-Gong2)Li Zeng-Cheng2)Feng Mei-Xin2)Zhao Han-Min2)Sun Qian2)3)?

1)(National Institute of LED on Silicon Substrate,Nanchang University,Nanchang 330047,China)
2)(Lattice Power(Jiangxi)Corporation,Nanchang 330029,China)
3)(Key Laboratory of Nanodevices and Applications,Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215123,China)

13 October 2016;revised manuscript

21 November 2016)

Unlike the finger-like n-contact that is prepared after the wafer bonding and the N-polar GaN surface roughening for GaN-based vertical structure light-emitting diodes(LEDs)grown on Si substrates,the embedded via-like n-contact is formed prior to the wafer bonding.The high temperature process of the wafer bonding often causes the electrical characteristics of the via-like embedded n-contact to degrade.In this paper,we study in detail the effect of plasma treatment of the n-GaN surface on the forward voltage of GaN-based LED grown on Si substrate.It is shown that with no plasma treatment on the n-GaN surface,the forward voltage(at 350 mA)of the 1.1 mm×1.1 mm chip with a highly reflective electrode of Cr(1.1 nm)/Al is 3.43 V,which is 0.28 V higher than that of the chip with a pure Cr-based electrode.The LED forward voltages for both kinds of n-contacts can be reduced by an O2plasma treatment on the n-GaN surface.But the LED forward voltage with a Cr/Al-based electrode is still 0.14 V higher than that of the chips with a pure Cr-based electrode.However,after an Ar plasma treatment on the n-GaN surface,the LED forward voltage with a Cr/Al-based electrode is reduced to 2.92 V,which is equal to that of the chip with a pure Cr-based electrode.The process window of the n-GaN surface after the Ar plasma treatment is broader.X-ray photoelectron spectroscopy is used to help elucidate the mechanism.It is found that Ar plasma treatment can increase the concentration of N-vacancies(VN)at the n-GaN surface.VNacts as donors,and higher VNhelps improve the thermal stability of n-contact because it alleviates the degradation of the n-contact characteristics caused by the high temperature wafer bonding process.It is also found that the O content increases slightly after the Ar plasma treatment and HCl cleaning.The O atoms are mainly present in the dielectric GaOxfilm before the Ar plasma treatment and the HCl cleaning,and they exist almost equivalently in the conductive GaOxN1-xfilm and the dielectric GaOxfilm after Ar treatment and HCl cleaning.The conductive GaOxN1-xfilm and the VNdonors formed during the plasma treatment can reduce the contact resistance and the LED forward voltage.

GaN,light-emitting diode,plasma surface treatment,n-contact

:78.66.Fd,85.60.Jb,52.77.Bn,73.40.Cg

10.7498/aps.66.047801

?國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(批準號：2015AA03A102)、國家重點研發(fā)計劃(批準號：2016YFB0400104)、國家自然科學(xué)基金(批準號：61534007,61404156,61522407,61604168)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目(批準號：QYZDB-SSW-JSC014)、江蘇省自然科學(xué)基金(批準號：BK20160401)、中國博士后基金(批準號：2016M591944)、發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室開放課題(批準號：SKLA-2016-01)、集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室開放課題(批準號：IOSKL2016KF04,IOSKL2016KF07)和中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所自有資金(批準號：Y5AAQ51001)資助的課題.

?通信作者.E-mail：qsun2011@sinano.ac.cn

*Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2015AA03A102),the National Key Research and Development Program of China(Grant No.2016YFB0400104),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61534007,61404156,61522407,61604168),the Key Frontier Scientific Research Program of the Chinese Academy of Sciences(Grant No.QYZDB-SSW-JSC014),the Natural Science Foundation of Jiangsu Province,China(Grant No.BK20160401),the China Postdoctoral Science Foundation(Grant No.2016M591944),the Open Fund of the State Key Laboratory of Luminescence and Applications,China(Grant No.SKLA-2016-01),the Open Fund of the State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics(Grant Nos.IOSKL2016KF04,IOSKL2016KF07),and the Seed Fund from SINANO,Chinese Academy of Sciences(Grant No.Y5AAQ51001).

?Corresponding author.E-mail：qsun2011@sinano.ac.cn