金属有机化学气相沉积低温生长n++-GaN在蓝光二极管上实现低电阻率隧道结 *
1. 概述
本工作报道了在氮化镓（GaN）蓝光发光二极管（LED）上的低电阻率隧道结（TJ）。采用金属有机化学气相沉积法直接在LED外延片上生长掺硅n++-GaN层。低生长温度（<800°C）用于阻碍p++-GaN顶表面中氢对Mg的钝化。这允许在不需要生长后Mg活化的情况下实现低电阻率TJ。由于压电极化引起的带弯曲，通过在氮化镓 隧道结内插入5nm厚的In0.15Ga0.85N中间层（IL）来进一步改善隧道结。最后，讨论了InGaN离子液体对蓝光LED内部量子效率的影响。
2. 样品制备
将Si掺杂的n++-GaN层沉积在2μm厚的非故意掺杂（UID）氮化镓外延片上，该片生长在c面蓝宝石衬底上（图1（a）），生长速率约为100 nm/h。这些样品在Aixtron 200/4 RFS反应器中生长，温度范围为540至770°C，硅烷流量不同，压力为200 mbar。对于n++-GaN层，前驱体和载气分别为三乙基镓（TEGa）、NH3、硅烷（在H2中稀释至100ppm）和N2。通过室温霍尔效应测量获得了这些层的载流子密度、迁移率和电阻率。n++-GaN层的厚度包括在50和70nm之间。本研究所用GaN蓝光LED外延片的结构如图1（a）所示。
图1 （a）用于研究低温高硅掺杂GaN外延片结构（b） 在商业LED晶片上生长的隧道结
隧道结是通过直接在激活的455nm LED外延片（来自中芯晶研）上沉积n++型层而形成的。LED和隧道结结构如图1（b）所示。制备了五种不同类型的样品，根据中间层的类型而不同，如图2所示。使用三甲基铟（TMIn）和TEGa在700°C下生长InGaN中间层，而对于与铟含量为18%的GaN晶格匹配的AlInN中间层，使用TMIn和三甲基铝作为前体在775°C下进行生长。所有离子液体都是重掺杂的（n=1-2×1020cm-3）。LED（100×100um2）使用标准光刻工艺和电感耦合等离子体反应离子蚀刻来制造。Ti/Al/Ti/Au金属堆叠层用于顶部和底部接触。为了进行比较，由裸LED外延片（没有隧道结）制造标准p接触LED。对于后一种样品，分别用Pd/Au和Ti/Al/Ti/Au堆叠形成p型和n型接触。
图2 中间层的厚度、成分和生长温度
图3（a）样品A-E中制造的100×100um2 LED以及p接触LED样品的J-V特性示意图，插图显示了在较低电流密度（≤1 A/cm2）下的相同特性；（b）在1A/cm2下的LED工作电压和（c）对于不同样品在1.5kA/cm2下测量的整个隧道结LED器件的比差电阻
图4 100×100um2 GaN LED以及p接触LED器件的外量子效率（EQE）与J曲线。插图显示了不同样品的EQE峰值（EQEmax）的值
3. 结论
研究人员已经证明，n++-GaN（n≥1020cm-3）层可以通过MOCVD在低温下生长，即在700至750°C的范围内。这允许在III-N N++层过度生长期间阻碍活性Mg掺杂层的寄生氢钝化。通过这种方式，隧道结已经在预先非原位激活的蓝光氮化镓LED外延片上实现。研究了在GaN 隧道结中插入中间层（InGaN或AlInN）的影响。总差动电阻低至8.6×10-4cm2使用5nm厚的In0.15Ga0.85N中间层，已经获得了在1A/cm2下2.67V和在20A/cm2下3.28V的工作电压。这些研究结果为使用MOCVD大规模生产氮化物基隧道结LED铺平了道路。
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