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2023-06-20
P型接触在GaN上的应用挑战及解决方法
【摘要】：GaN上的p型接触是一项复杂的挑战。退火可在不同环境下完成，但只有氧环境会形成p型欧姆接触。这些p型接触的退火通常在500～600℃的空气或氧气环境中实现的。所以许多器件包含镍/金p型接触。对于这些材料，问题仍在于良好p型接触的实现。对于先进结构的LED，p型接触掩埋于其中并且也具备光反射器的功能，这时常规的镍/金接触不再适用。
GaN上的p型接触是一项复杂的挑战。事实上，本征p掺杂可由生长期间的镁掺入实现，随后还要进行高温活化。
考虑到镁掺杂剂的活化能（约200meV），只有约1%的镁原子是电激活的。由于为了避免降低晶体的品质，杂质的浓度是受限制的。环境温度下可期望的最大p型掺杂浓度约为1017cm-3，这么低的浓度难以实现良好的欧姆接触和均匀注入。
另外，实现欧姆接触的加温退火对光致发光密度和材料的掺杂都有影响[NAK 00]。实际上，根据温度和退火环境的不同，光致发光信号会完全消失，掺杂程度也会显著降低。所以优化的目的在于实现良好的欧姆接触（意味着掺杂程度高），同时获得高的光致发光效率。
理想情况下，用于p型GaN上接触的金属必须具有高的功函数，为6.5～7.5eV。然而，高功函数金属铂、镍、钯和金的功函数值分别为5.65eV、5.15eV、5.12eV和5.1eV。所以，似乎实现仅基于热离子效应的理想欧姆接触是不可能的，必须进一步研究隧道效应[ZEL 03]。所以必须在表面处理和加温退火等方面做出努力，但首先要获取品质优良的样品，它的掺杂程度可控且程度高至足以实现p型欧姆接触。
大多数接触是某些前述金属的叠层。一般使用镍/金，但镍/铂/金或钯/金也得到了应用。对镍/金—20/100nm堆垛的研究最为深入，因为它具有良好的电特性，并且可实现几个10-6Ω·cm2的比接触电阻[CHI 01]。
接触叠层的特性与其加温退火过程关系密切。退火可在不同环境下完成，但只有氧环境会形成p型欧姆接触。退火有两个作用：使镍原子在上部GaN层及其氧化层上扩散[HOR 01]。氧化层对获得欧姆接触而言十分关键，因为形成的NiO是一种宽带隙p型半透明半导体[BOG 06]。这些p型接触的退火通常在500～600℃的空气或氧气环境中实现的。
应该注意的是GaN上p型接触在氧气环境中的退火并非凭直觉获得的方法。事实上，氧原子（深度n型掺杂剂）能改变表面的掺杂类型，甚至在氧到达量子阱的情况下“扼杀发光”。接触退火的优化是工艺中较难处理的步骤。不同芯片结构中的p型接触具有怎样的几何结构和特性呢？
从前面内容可知，CC LED（最简单的结构）通过顶面发光，这意味着要通过p型接触。所以关键的一点是在电注入的均匀性和表面的透明度间，即不透明金属面积和透明面积间实现合理的折中。因此可以考虑两种方法：镀上一层面积有限的不透明厚金属层（蛛网状接触）或在整个面积上覆上一层薄的半透明接触。镍/金接触得到大量的研究，原因之一是NiO的宽带隙使其在可见光范围内具有透明性。也可使用其他类型的接触，如钌/镍、钯/镍等，但基于镍/金的工艺发展得最早。所以许多器件包含镍/金p型接触。这种叠层的透明度在比接触电阻为5×10-4Ω·cm2时为60%～75%[LIN 03]。
尽管如此，为了进一步改善性能，具有导电能力的氧化物如ITO（氧化铟锡）[LIN 03]或ZnO[LIM 04]-[SON 03]使获得良好的导电性和效率更高的光传输成为可能。这些材料被称为透明导电层（TCO），它们的光传输效率高于或等于80%，电阻率约为10-4Ω·cm[KIM 04]。对于这些材料，问题仍在于良好p型接触的实现。ITO或ZnO层的直接沉积并不会产生欧姆接触，但GaN和TCO间的薄镍层大大增强了接触的欧姆特性[HOR 01]。镍/ITO和镍/ZnO的比接触电阻已分别达到8.6×10-4Ω·cm2和10-5～10-6Ω·cm2。
对于先进结构的LED，p型接触掩埋于其中并且也具备光反射器的功能，这时常规的镍/金接触不再适用。事实上，对于人们感兴趣的波长（400～450nm），金能大量地吸收光。此时使用银或铝等其他金属是非常必要的。银基金属层在波长从340nm至可见光范围内的反射率可达到95%，而铝基金属层在全波长范围内的反射率也能达到90%。即使银被经常使用，但它的电特性并不可靠[SON 05]。此外，银层不能和GaN有效键合，并且在加热退火期间银层的形态会出现劣化。最后，欧姆接触无法获得且发射率过低。解决方法是在GaN和银之间插入一层薄镍层[JAN 04]，以获得欧姆接触并保持高反射率。一些研究小组已经测试了镍/ITO/银。镍-ITO呈现出透明的欧姆接触（见上文），且银层成为反射器的一部分。在这些情况下，欧姆接触是低比接触电阻值和高叠层总反射率之间折中的结果。
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