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利用氬氣改善LED的性能
作者: 發布日期:2018-12-26
  雖然GaN LEDs的發展相當成功,但是使用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)製程卻讓它們的p型摻雜區域無法達到理想的特性。對於一個像是能夠達到固態照明目標的真實亮度發光體所需要做的乃是在外延層(epilayer)堆積結構中具有低電阻及不連續摻雜剖麵結構的高摻雜濃度的p型區域,但現今製程會產生阻礙電流分散(current spreading)的高阻抗材料,當發生較差的奧姆接觸(ohmic contacts)時會增加操作電壓並阻礙高驅動電流。
  這件事是起源於使用標準摻雜物-鎂進行有機金屬氣相沉積(MOCVD)來長成固有特性的p型GaN和AlGaN,而這些氮化物(nitrides)具有高電阻,部份原因是鍍膜成長完畢後置熱活化所造成的。然而,即使如此處理過之後的p型GaN仍有0.1 Ω-cm或更高的阻值存在,由於需要更高的操作電壓而限製了最高亮度的LEDs的發光效率。
 
  這些高電阻的成因可能源自表麵的氫氣造成鈍化結果所致(氫氣為標準MOCVD載體氣體)。成膜後置熱活化會破壞鎂–氫錯合物並促進導電度,縱使摻雜太多的鎂仍會造成材料質量的劣化。
 
  氮化物(nitrides)以有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)方法摻雜鎂也會受到“記憶效應(memory effect)”的影響,這些摻雜物會停留在關閉線型真空管後的鍍膜腔體內,然後在後續不該有鎂成份的成膜過程中被吸收。
 
  針對上述的問題,德晉貴賓廳已經發展出不使用純氫氣的薄膜沉積製程。本研究工作(由美國能源部的固態照明計劃讚助)所使用的氫化物氣相外延(HVPE)製程技術是以氨氣(NH3)及氯化氫(HCl)當做反應氣體並以氬氣做為載體氣體,能達到更高的沉積速率以及更低的錯位密度(dislocations densities)。
 
  以氬氣做為載體氣體的有機金屬氣相沉積(MOCVD)長晶並不會更有效果, 因為第III族蒸鍍源需要更高比例濃度的NH3,這會導致更多的氫氣跑到沉積層中。
 
  德晉貴賓廳用專利開發的多基板型(multiwafer)HVPE反應器來沉積 p-型GaN層在(0001) c-晶麵的藍寶石(sapphire),而沉積條件上設定在典型的速率1 μm/min及1050 ?C,並使用高純度镓材料作為III族的蒸鍍源,並以鎂做為摻雜物。
 
  根據二次離子質譜儀(secondary ion mass spectrometry;SIMS)量測結果,德晉貴賓廳製作出3–15 μm厚度且具有2 × 1016 cm–3 – 2 × 1020 cm–3鎂原子濃度的GaN層,所有外延層(epilayers)具有平滑的表麵,而X-ray繞射量測結果顯示高摻雜濃度並不會影響晶體的的質量。在樣品中不需要靠活化來產生p型的導電度。以汞探針量測的電容-電壓 (C-V)實驗結果可得知在鎂原子濃度為1 × 1017 cm–3下的p-型導電度,C-V測試結果也顯示出受體淨濃度 (受體數目扣除施體數目) 高達3 × 1019 cm–3,這樣的摻雜濃度正好適於形成不錯的奧姆接觸(ohmic contact)。
 
  載體濃度範圍在4 × 1017 – 1.5 × 1018 cm–3的沉積層的電性量測實驗結果顯示電阻率為0.02–1.00 Ω-cm,而電洞移動率至少能達到像MOCVD-沉積出的薄膜電性結果一樣好,而這樣的結果表示HVPE沉積而成的LEDs應該具有相當不錯的電流分散(current-spreading)特性。二次質譜儀(SIMS)量測結果也顯示出德晉貴賓廳的材料不易受到記憶效應(memory effect)影響。
 
  比氫氣更高濃度的鎂下造成高導電度與高受體淨濃度的成因,根據德晉貴賓廳測量兩組(1–3) × 1019 cm–3鎂原子濃度摻雜的樣品結果,對於高摻雜來說將氫氣濃度降到最低乃是關鍵。4 × 1017 cm–3氫氣濃度生成的樣品具有1.2 × 1019 cm–3的受體淨濃度,而1 × 1018 cm–3氫氣濃度生成的薄膜的淨濃度隻有1.3 × 1018 cm–3。氫氣濃度變化造成某一個樣品中的鎂幾乎整個被活化而其它的部份則隻有10%被活化。
 
  德晉貴賓廳已經驗證了德晉貴賓廳下發光光式HVPE薄膜沉積方法的多樣性。有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)無法製作的“下發光(upside-down)” LEDs亦可以做在藍寶石為基板的p型GaN模板上,這些模板結構中的InGaN層含有15–30 mole %的InN成份,其發光波長介於450–515 nm。

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