AlN／蓝宝石衬底上AlGaN－UV－LEDs光学性能改善研究

王美玉，章国安，张振娟，施 敏，朱晓军，朱友华

（南通大学 电子信息学院，江苏 南通 226019）

由于高效率的AlGaN基深紫外发光二极管（记为AlGaN－UV－LEDs，以下简记为 UV－LEDs）在生物制剂的检测、固态白光照明，以及空气净化应用等方面受到极大的关注。近年来，许多研究人员通过使用铝镓氮合金，制备出发光波长位于300nm以下的深紫外发光二极管［1－7］。但在开发高性能 UV－LEDs的过程中，也常备受一些困扰。比如：生长出高品位的Al－GaN或AlN薄膜，是提高其发光效率的先决条件；高质量AlN衬底也是获得高品位AlGaN外延薄膜的最常用的衬底之一［8］。此外，由于受电子溢出［9］或 Mg扩散［10］而导致的非带边峰发光在UV－LEDs的相关论文中也经常有相应的报道。研究人员为了消除此寄生发光峰，采用高Al组分的AlGaN中间层作为电子阻挡层［11］。在本文中，将对具有AlN衬底上的UVLEDs的器件结构与光学特性改善之间的因果关系等进行科学的探讨。

1 实验

UV－LEDs结构的样品是在一个水平腔MOCVD系统（日本酸素SR－2000）中生长。SiH4和Cp2Mg分别用于n型和p型的掺杂。其中50.8mm（2英寸）直径的AlN衬底被用来作为底层基板，而该衬底是通过MOCVD系统，在c－面蓝宝石上生长的1μm厚的AlN薄膜［8］。有报告曾提及：无裂纹且相对高质量的AlGaN薄膜可直接生长在AlN衬底上［12］。

研发出属于C区（265nm附近）的深紫外发光二极管，主要是基于以下的生长方法：在AlN衬底上生长0.5μm 厚的Al0.6Ga0.4N层；所生长的是有源区，该区域主要是在n型Al0.6Ga0.4N盖层上，由五周期的Al00.49Ga0.51N 量 子阱层（3nm）和一个 Al0.55Ga0.45N垒层（5nm）所形成的，并随后由一个p型 Al0.6Ga0.4N盖层（25nm）的沉积。最后形成的是p－型 Al0.3Ga0.7N层（25nm）和p型GaN接触层。在本研究中，对如下两种结构的LEDs进行相应的比较：含有1μm厚的n－AlGaN和25nm的厚度的p－GaN接触层（记为样品A）：n－AlGaN的厚度为1.7μm 和p－GaN厚度为200 nm（记为样品B），而其他外延层的厚度均一样。此外，还有另外一个结构上的不同点之处是：B型样品的活性层区域和p型盖层之间有1nm厚的i－AlN电子阻挡层。为了确认i－AlN是否成功生长，通过断面透射扫描电镜对器件结构特征做了简要的表征。

在对500μm×500μm台面型结构的LED器件工艺制作过程中，使用的是光刻、刻蚀以及蒸镀等传统半导体工艺加工［13］。比如：n－AlGaN层的一侧通过反应性离子蚀刻后做n欧姆接触电极；Mg受主的活性化退火是在800℃氮气氛围中进行30min炉内慢性退火；使用常规电子束（EB）蒸发沉积出n－欧姆接触金属层 Ti／Al／Ni／Au（15／70／12／60nm），并随后被快速退火，其条件是在900℃的氮气氛围中30s；然后，在GaN的表面上，通过同样的EB法沉积出Ni／Au（6／12nm）p型欧姆接触金属层，并在空气氛围中于600℃退火3min；最后，在p型欧姆接触金属层之上再沉积出Ni／Au的（5／60nm）的p型接触电极。在对器件性能表征方面，从LEDs芯片的背面通过底层的蓝宝石所发出的电致发光谱（EL）用SD2000分光计（海洋光学公司）探测；输出功率由放置在样品的紧邻背面侧的光功率表（Hamamatsu H8025－254）测定。

2 结果和讨论

图1显示的是样品B的断面透射扫描电镜图。从中可以非常清楚地观测到i－AlN仅有1nm厚的插入层成功地得以生长。此外，下面的多量子阱（MQWs）的界面也相当平整。这些结构特征可以验证本研究中的UV－LEDs器件具有高品位的外延晶体质量。因此可以期待其将表现出良好的器件发光性能。

图2显示的是在室温与8A／cm2直流电流（DC）注入下2个样品的电致发光谱（EL），插图为LEDs的示意性结构图。在此图中可以清楚地看出：样品A除了可观察到264nm附近的近带边发光峰（NBE）之外，另有一个非常明显且较强的寄生发光峰（SBE），峰值位约在320nm处；B样品有更强的NBE，其半高宽值约9nm；但320nm处的SBE峰强度却急剧下降。一般推测对应的SBE归因于载流子从多量子井区域溢出到p－AlGaN层或Mg从p－AlGaN层扩散至多量子井而导致的。在此可以得出，本文中所探讨的器件结构中，通过插入非常薄的1nm的i－AlN层可以有效抑制寄生发光峰。

图1 样品B的断面透射扫描电镜图

图2 室温与8A／cm2的注入电流下的样品A和B的电致发光光谱

如图3所示，样品B的NBE峰与SBE峰的峰高比增至300多，而样品A的此比率最大值只有10左右。与先前由Adivarahan等报道类似结构的器件性能相比，B样品中得到的值显得相对更高（在50A／cm2直流注入下的比率是100）［14］。因此，进一步可以得出以下结论：使用本文中的1nm的i－AlN层，在多量子阱发光区域实现了更好的载流子约束，进而改善了载流子的复合率。同时也可以预测出光功率也将得以较大的提高。

图3 样品A和B在不同的注入电流密度下的NBE与SBE峰高值比

图4 样品A和B在不同电流密度注入下的输出功率

图4所示为在室温及不同注入电流密度下归一化后2个样品的输出功率。相当明显的是：样本B的输出功率是远远高于样品A。在输入电流密度为16 A／cm2下，与样品A对比，样品B的最大输出功率约为样品A的20倍，进一步证明：使用薄的i－AlN电子阻挡层可以改善UV－LEDS的发光特性。其实，若考虑其他改善因素，还发现较厚的 n－Al00.6Ga0.4N 盖层也能有效地减少电流拥挤效应［15］；较厚的p－GaN层也可以改善表面平坦性和起到更好的p型欧姆接触效果。因此，除了薄的i－AlN插入层的效果之外，这些结构上的合理调整也对本研究中的UV－LEDs的发光特性改善起到一定的促进作用。

3 结论

本文简要探讨了264nm波段的 AlGaN－UVLEDs发光性能的改善。通过实验，可以得出以下结论：通过在活性区域和p型盖层之间插入1nm的i－AlN的电子阻挡层，可以非常有效地抑制320nm处的寄生发光峰；LED在活性区域也表现出了更好的光谱纯度和良好的载流子限制效应；对样品结构中的某些外延层的厚度进行调整，对应UV－LEDs的输出功率提高了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.