摘要：中国武汉的研究人员报告称，通过减少p型层中的碳（C）杂质，深紫外（DUV）发光二极管（LED）的光输出功率（LOP）和工作电压均有所提高 [Ziqi Zhang et al, Appl. Phys. Lett., v125, p241109, 2024]。碳杂
来源：雅时化合物半导体
中国武汉的研究人员报告称，通过减少p型层中的碳（C）杂质，深紫外（DUV）发光二极管（LED）的光输出功率（LOP）和工作电压均有所提高 [Ziqi Zhang et al, Appl. Phys. Lett., v125, p241109, 2024]。碳杂质来自用于制造DUV LED材料的化学气相沉积（CVD）氮化铝镓（AlGaN）生长过程中使用的金属有机（MO）前驱体。
由武汉大学、武汉经纬科技有限公司和宁波安芯美半导体有限公司联合而成的研究团队评论道：“这种充当浅供体的碳杂质可能因补偿效应而降低空穴浓度”。
降低碳含量是通过减慢AlGaN的生长速度来实现的。特别是降低了电子阻挡层（EBLs）和分级p-AlGaN层中的碳含量，从而提高了铝含量。电子阻挡层对于减少电子穿透p型层至关重要。
研究人员评论道：“碳是III族氮化物半导体中最常见的一种杂质。由于铝的化学活性，通过MOCVD生长的AlGaN层通常比GaN含有更高的碳杂质，这进一步限制了铝含量高的p-EBL的电学特性。”
尽管铝含量较高的AlGaN具有较高的势垒，但由于减少了碳的掺入，空穴浓度得以提高，从而使更多空穴注入有源区并与电子复合。
在材料加工、大面积和高速灭菌、生物/化学传感应用中，DUV LED的应用越来越广泛。提高效率是实现大规模商业化的关键因素。
图1：（a）DUV LED原理结构，插图为样品A和样品B的变化。（b）AlGaN的生长速度和铝含量与TMAl/TMGa流速的对比关系。（c）外延生长电子阻挡层和分级p-AlGaN时的原位温度和反射率瞬态。
DUV LED（图1）是使用富氮MOCVD在c面（0001）平坦蓝宝石衬底（FSS）上生长的。前驱体为三甲基镓/铝（TM-Ga/Al）和氨气（NH3）。n型和p型掺杂剂为硅烷（SiH4）和双环戊二烯基镁。
LED结构包括3μm AlN模板、120nm Al0.7Ga0.3N过渡层、70nm AlN/AlGaN超晶格（SL）、1μm n-AlGaN、多量子阱（MQW）、40nm电子阻挡层、30nm分级p-AlGaN和20nm p-AlGaN层。五周期多量子阱包括由10nm Al0.6Ga0.4N势垒隔开的2nm Al0.4Ga0.6N阱。
参考样品A和优化样品B的不同之处在于电子阻挡层和分级p-AlGaN区。电子阻挡层的铝含量不同：样品A的铝含量为70%，样品B的铝含量为80%，样品A的分级为70-50%，样品B的分级为80-50%。在这两种情况下，10nm p-接触层的铝含量均为40%。电子阻挡层的生长温度为1050°C。在MOCVD生长之后，两个样品都在750°C的氮气中退火，以激活p型掺杂。
研究人员仔细研究了改变前驱体流速的效果，以优化铝在高含量层中的掺入。当然，较高的铝含量需要较慢的流速，这就需要较长的加工时间才能达到相同的层厚。特别是样品B的生长速度较慢，使得碳含量降低到1016/cm3的数量级，几乎比样品A低了一个数量级。
研究团队认为，较低的TMGa/Al流速使更多的碳通过以下反应转化为甲烷（CH4），而不是掺入AlGaN材料中：
N–H + Ga–CH3 → GaN + CH4
研究人员评论道：“较高的NH3分压促进了这一反应，从而减少了AlGaN层中碳的掺入。金属有机前驱体流速的降低对应V/III比率的提高，这可以解释样品B的电子阻挡层中碳掺入量减少的原因。”
研究人员利用这些样品制作了254μm x 508μm的DUV LED，并使用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀制作了450nm深的台面。表面是采用等离子体增强CVD二氧化硅进行钝化的。
使用优化样品B的一个好处是降低了p-AlGaN和镍/金p-电极之间的接触电阻：2.8Ω-cm2，而样品A为3.3Ω-cm2。研究团队解释道：“这可能是p-区域（包括电子阻挡层和分级p-AlGaN层）的空穴浓度增加所致。”
研究人员推测，样品B中的铝含量较高，提高了碳杂质的电离能，而较低的杂质浓度也降低了点缺陷密度，从而增强了载流子传输。样品B中较陡的分级会产生较高的诱导极化电荷，因此空穴浓度也会有所提高。
图2：（a）铝、（b）镁、（c）氢、（d）氧和（e）碳的二次离子质谱（SIMS）分析结果。（f）2英寸晶圆上两种样品的DUV LED芯片的光电性能统计。黑色星星、白色水平线和黑色垂直虚线分别代表数据的平均值、中位数和1.5倍四分位距。
注入电流为40mA时，优化样品B实现了更高的平均光输出功率和更低的工作电压，这两个因素都有助于提高效率（图2）。对两种样品材料的10,000个芯片进行了平均。样品A和样品B的平均光输出功率分别为5.3mW和6.4mW。相应的正向电压分别为5.9V和5.6V。
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来源：CSC化合物半导体