C-V法测量GaN基蓝光LED的PN结特性

符斯列，王春安，蒋联娇，秦盈星，吴先球

(1.华南师范大学 物理与电信工程学院广东省量子调控工程与材料重点实验室,广东 广州 510006；2.广东技术师范学院 电子与信息工程学院，广东 广州 510006)

C-V法测量GaN基蓝光LED的PN结特性

符斯列1，王春安2，蒋联娇1，秦盈星1，吴先球1

(1.华南师范大学 物理与电信工程学院广东省量子调控工程与材料重点实验室,广东 广州 510006；2.广东技术师范学院 电子与信息工程学院，广东 广州 510006)

应用C-V法研究了GaN基蓝光LED的PN结特性.通过变温的C-V曲线、相应的C-2-V曲线和C-3-V曲线判断GaN基PN结的结类型，计算杂质浓度分布和PN结接触电势差，并分析了温度变化对PN结特性的影响.该实验不仅能加深学生对二极管PN结及C-V法应用的认识和理解，还可以让学生了解GaN新型半导体材料的相关知识.

C-V法；GaN基蓝光二极管；PN结特性；杂质浓度分布

电容-电压(C-V)测量法是一种简单、快速、无损伤的二极管PN结特性测量方法[1-2]，同时也是大学本科高年级物理专业近代物理实验的主要实验内容[3].通过给二极管施加反向偏置电压V，测量对应的二极管PN结电容C，然后根据C-V曲线以及相应的C-2-V曲线和C-3-V曲线，就可以判断二极管的PN结类型，计算PN结接触电势差VD,以及获得PN结的杂质浓度分布信息.C-V法不仅可以应用于电子二极管和肖特基结，也可以应用于发光二极管(LED)的PN结特性研究，如新一代GaN基蓝光LED.GaN是一种高亮度、耐高温、抗腐蚀的宽禁带直接带隙的蓝光半导体材料.GaN基LED所辐射的蓝光，和GaAs基LED所辐射的红光及绿光一起，构成了白光的三基色，目前已经广泛应用于大型户外平板显示、白光照明等[4-6]方面.

本文通过C-V法测量GaN基PN结特性，并通过液氮制冷得到变温的GaN基PN结的C-V曲线及相应的C-2-V曲线和C-3-V曲线，分析GaN基PN结的结构特性，以及温度变化对GaN基PN结特性的影响.该实验不仅能加深学生对二极管PN结及C-V法应用的认识和理解，还可以让学生了解GaN新型半导体材料的相关知识，拓宽学生的知识视野，同时也是对近代物理实验中常规C-V实验的有益补充和拓展.

1 实验原理

一般而言，采用合金法、扩散法、气相沉积法和离子注入法等工艺制备的二极管PN结， 根据杂质浓度随结宽的变化，PN结类型基本可分为突变结、线性缓变结及非突变非线性缓变结[2,7].PN结的杂质浓度分布如图1所示.

(a)突变结

(b)线性缓变结

(c)非突变非线性缓变结

突变结的杂质分布特点是：N型区施主杂质浓度ND在交界面x=xj处，突变为P型区受主杂质浓度NA[如图1(a)所示]，且ND和NA都是均匀分布.特别是当杂质浓度一侧比另一侧高很多，则称为单边突变结，单边突变结的结宽主要集中在低杂质浓度一侧.

线性缓变结的特点是:杂质浓度从PN结一侧到另一侧线性缓慢变化,如图1(b)所示，其杂质分布可用杂质浓度梯度G来表示：

ND-NA=G(x-xj) .

(1)

若结PN的杂质分布既不符合突变结也不符合线性缓变结，则为非突变非线性缓变结，其杂质浓度分布如图1(c)所示.

对任意结类型的PN结，其PN结空间电荷区域的电势与电荷关系可以用泊松方程描述，若仅考虑纵向分布，则一维纵向分布的泊松方程为

(2)

其中ε0和εr分别为真空电容率和材料的相对电容率，ρ(x)和V(x)为空间电荷区净电荷密度和电势.

根据PN结的电容理论，如果假设耗尽层成立，同时认为杂质完全电离，则可通过泊松方程得到突变结PN结两端的总电势差与势垒电容C的关系为[2,7]

(3)

图2 突变结的C-2-V曲线关系

需要说明的是，对于单边突变结，由于PN结两侧掺杂浓度相差几个数量级，约化杂质浓度N*可看成是低浓度一侧的平均杂质浓度.

对线性缓变结，同样假设耗尽层成立，则PN结两端的总电势差与势垒电容C的关系满足：

(4)

图3 线性缓变结的C-3-V曲线关系

对于非突变非线性缓变结，C-2-V曲线与C-3-V曲线都不呈线性关系,势垒电容为

(5)

在杂质任意分布情况下均成立，其中l为PN结结宽，相应的约化杂质浓度随结宽l的分布满足：

(6)

对单边突变结，约化杂质浓度N*可看成是低杂质浓度一侧的杂质浓度.

实验采用的样品为市面上常见的普通亮度φ5 mm GaN基蓝光LED，采用引脚式封装，其中心波长为460～465 nm，工作电压3.0～3.2 V，结面积S=6.25×10-4cm2，GaN材料的相对电容率εr=8.9，真空电容率ε0=8.854 pF/m.实验仪器为CTG-1型高频电容-电压特性测试仪，温度传感器为标准Pt 100 Ω温度探头.LED样品和温度探头紧挨着置于紫铜做成的圆柱形恒温器内，以确保温度探头能真实反映样品温度.实验时通过沉降法把LED样品缓慢放入液氮杜瓦瓶，在LED样品温度分别为T=289,223,173,123,83 K时测量其C-V曲线.另外，为了减少PN结扩散电容对测量结果的影响，实验时二极管施加偏压为负偏压，在负偏压条件下，反向饱和电流很小，此时势垒电容起主要作用，扩散电容可以忽略[7].在本实验中，施加的负偏压范围为0～-8 V.

2 实验结果与分析

2.1 GaN基蓝光LED变温C-V曲线

各个温度下测得的GaN基蓝光LED样品的C-V曲线如图4所示.图4表明：

1)同一温度下，PN结势垒电容C随着反向偏压的增大而减小，呈现类似幂律衰减的变化[8].

2)在变温情况下，温度降低，则势垒电容C变小，且温度越低，其势垒电容C随着反向偏压的变化就越平缓.表现为0～-8 V负偏压范围内，T=289 K时的C-V曲线比T=83 K的C-V曲线变化范围要大.这是因为根据半导体的低温载流子冻析效应，当温度高于一定温度时，杂质全部电离，而当温度低于一定温度时，杂质只是部分电离，尚有部分载流子被冻析在杂质能级上，即温度高时电离的杂质浓度高于温度低时电离的杂质浓度.所以施加同样的反向偏压时，温度越低，势垒电容越小.

图4 GaN基蓝光LED的变温C-V曲线

2.2 判断PN结类型

为了判断该GaN基LED的PN结类型，选择了T=289 K时样品的C-2-V曲线和C-3-V曲线来进行最小二乘法线性回归分析，拟合结果如图5和图6所示，拟合直线分别用图中虚线表示.其中用于评价2条拟合直线优劣的Pearson线性相关系数绝对值均在0.99以上，并且拟合直线的显著性F检验表明C-2-V曲线的线性关系及C-3-V曲线的线性关系均达到了0.05的显著水平.

图5 T=289 K时的C-2-V曲线

图6 T=289 K时的C-3-V曲线

上述分析数据虽然表明该GaN基LED样品的C-2-V曲线及C-3-V曲线均具有一定的线性关系，但是由于图5中C-2-V曲线更多的点落在拟合直线上，而图6中C-3-V曲线有稍微的弯曲，这说明C-2-V曲线具有更明显的线性关系，因此把该发光二极管的PN结类型归类为突变结.已知GaN基蓝光LED制备的基本过程为在蓝宝石衬底上先低温生长1层很薄的GaN缓冲层，然后高温生长掺Si的N型GaN层，最后再生长掺Mg的P型GaN，形成GaN基PN结.由于掺Mg会形成Mg-H络合物，导致高浓度P型掺杂非常困难，需要热退火处理才能形成有效的P型掺杂，因此一般的GaN基蓝光LED均属于N+P单边突变结[9].

此外，为了进一步研究温度变化对PN结类型的影响，分析不同温度下的C-2-V曲线，其结果如图7所示.图7显示，在室温至液氮温区内，GaN基PN结的C-2-V曲线仍保持线性关系，这说明环境温度的变化不会改变该GaN基PN结的突变结结构特点.

图7 不同温度下GaN基LED的C-2-V曲线

2.3 计算杂质浓度分布

表1说明了单边突变结N+P中P型区一侧的杂质浓度在1017cm-3数量级，与文献[10]相符.此外，杂质浓度随着温度的降低而减少，这是因为温度降低至一定程度时，杂质将未能全部电离，使得PN结空间电荷区浓度降低，从而杂质浓度也随之降低，图8也验证了这一现象.但是，由于杂质浓度分布NA(l)与C-V曲线的导数dC/dV有关，而导数对C-V曲线的起伏变化非常敏感，因此C-V曲线的微小起伏造成杂质浓度分布NA(l)在平均杂质浓度N*附近上下波动.

表1 不同温度下的GaN基PN结平均杂质浓度

图8 不同温度下PN结杂质浓度随结宽l的分布

2.4 计算PN结接触电势差VD

根据C-2-V曲线延长线在电压横轴上的截距，得到各个温度下PN结的接触电势差VD，其结果如图9(a)所示.图9(a)表明：当温度高于150 K时，接触电势差VD在3.4 V附近变动;当温度低于150 K时，接触电势差VD随着环境温度的降低而快速升高，其数值从T=173 K时的3.39 V上升到T=83 K的7.65 V.根据PN结接触电势差公式[7]

(7)

可知，VD与P区杂质浓度NA、N区杂质浓度ND、温度T、本征载流子浓度ni有关，同时，ni也受到温度T的影响：

(8)

式中Nc和Nv分别是导带和价带的有效态密度：

(9)

(10)

(11)

因为Eg也和温度有关，且一般呈负温度关系.在不考虑杂质浓度对禁带宽度影响的情况下，GaN材料的禁带宽度Eg与温度关系[11]为

(12)

其中Eg(0)=3.47 eV.由此式(11)可进一步具体写成:

(13)

又因为kBT是能量量纲，可以用eV表示，且有1 eV=1.602×10-19J，由此根据式(7)最终得到的接触电势差VD与温度的理论关系为

(14)

(14)式中VD单位为V.根据式(14)模拟计算得到的VD-T关系如图9(b)中所示.

(a)实验曲线

(b)理论曲线图9 GaN基LED接触电势差VD随温度的变化

比较图9中接触电势差VD的实验曲线与理论曲线，发现理论与实验VD均随着温度的降低而增加，变化趋势与文献[12]相符.其中在温度高于150 K时，实验曲线和理论曲线基本相符，但是随着温度继续降低，实验VD上升特别快，数值大幅升至7.6 V，而理论模拟值才上升至3.47 V左右.这说明实验曲线和理论模拟曲线相比，出现较大偏差.我们认为有2个原因造成偏差：

1)在温度高于150 K时，C-2-V曲线的线性还是很明显的，这时可以认为是突变结.但是，当温度小于150 K时，C-2-V曲线会出现稍微的弯曲，此时仍把该PN结看成突变结过于简单，由此根据C-2-V曲线截距计算出来的结果会有偏差.

2)另一个主要原因是界面态导致，界面态对接触电势会有非常大的影响[13-14].界面态主要来自界面的悬挂键，或线缺陷延伸到表面形成的界面态，另外，还有表面吸附原子形成的界面态.界面态会在界面附近形成空间电荷区，使能带在界面处弯曲并产生一定的势垒，最终导致PN结的总接触电势变大.如果界面态密度很大，会产生接触势垒被高界面态密度钉扎(pinned)的现象.在本实验中，当温度降得很低时(如低于150 K)，会有更多的电子(空穴)被界面态捕获，界面附近的空间电荷区加强，导致能带在界面处弯曲更厉害，界面态对PN结总接触电势差的作用凸显.最终使得PN结的总接触电势差快速上升，脱离理论值，并造成C-2-V曲线在温度低于150 K时出现稍微弯曲的现象.

3 结束语

电容-电压法是一种常用的、有效的二极管PN结特性测量方法，不仅可以用于电子二极管及肖特基结的测量，还可以应用于发光二极管PN结特性测量中.通过给二极管施加反向偏置电压V，测量相应的PN结电容C，就可以根据C-V曲线、C-2-V曲线和C-3-V曲线来判断二极管结类型，计算接触电势差，获得PN结的杂质浓度分布信息.该实验是大学物理专业高年级近代物理实验教学中的常选实验，但平时的实验教学只涉及室温条件下电子二极管PN结特性测量.本文把C-V法拓展应用到新型GaN基发光二极管的PN结特性测量中，并通过液氮制冷得到变温的GaN基PN结的C-V曲线，分析温度变化对GaN基PN结特性的影响.该实验操作简单，测量数据可靠，可作为大学近代物理实验的综合设计性、创新性实验.该实验不仅能加强学生对电容-电压测量技术的认识和理解，还可以让学生接触低温制冷，了解GaN基新材料和新器件的特性，在实验的过程中体验科学技术进步，拓展知识视野.

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[责任编辑：任德香]

Measuring characteristics of PN junction in GaN-based LED usingC-Vmethod

FU Si-lie1, WANG Chun-an2, JIANG Lian-jiao1, QIN Ying-xing1, WU Xian-qiu1

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 2.School of Electronic and Information, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510006, China)

Temperature-dependentC-Vmeasurement was applied to study the PN junction in GaN-based blue LED.The type of the PN junction was determined, the impurity distribution and the contact potential difference were calculated, and temperature dependence of the characteristics of the PN junction was analyzed.The experiment could not only deepen students’ understanding on PN junction and the application of theC-Vmethod, but also help students understand the relevant knowledge of GaN semiconducting materials.

C-Vmeasurement; GaN-based LED; PN junction; impurity distribution

2016-11-08；修改日期：2016-12-25

国家自然科学基金资助(No.10575039)；广东省自然科学基金资助(No.S2013010012548)

符斯列(1972-)，男，海南临高人，华南师范大学物理与电信工程学院副教授，博士，研究方向为III-V族化合物半导体的低温制备及材料特性.

O475

A

1005-4642(2017)05-0001-06