C-V法測量GaN基藍光LED的PN結特性

符斯列，王春安，蔣聯嬌，秦盈星，吳先球

(1.華南師范大學 物理與電信工程學院廣東省量子調控工程與材料重點實驗室,廣東 廣州 510006；2.廣東技術師范學院 電子與信息工程學院，廣東 廣州 510006)

C-V法測量GaN基藍光LED的PN結特性

符斯列1，王春安2，蔣聯嬌1，秦盈星1，吳先球1

(1.華南師范大學 物理與電信工程學院廣東省量子調控工程與材料重點實驗室,廣東 廣州 510006；2.廣東技術師范學院 電子與信息工程學院，廣東 廣州 510006)

應用C-V法研究了GaN基藍光LED的PN結特性.通過變溫的C-V曲線、相應的C-2-V曲線和C-3-V曲線判斷GaN基PN結的結類型，計算雜質濃度分布和PN結接觸電勢差，并分析了溫度變化對PN結特性的影響.該實驗不僅能加深學生對二極管PN結及C-V法應用的認識和理解，還可以讓學生了解GaN新型半導體材料的相關知識.

C-V法；GaN基藍光二極管；PN結特性；雜質濃度分布

電容-電壓(C-V)測量法是一種簡單、快速、無損傷的二極管PN結特性測量方法[1-2]，同時也是大學本科高年級物理專業近代物理實驗的主要實驗內容[3].通過給二極管施加反向偏置電壓V，測量對應的二極管PN結電容C，然后根據C-V曲線以及相應的C-2-V曲線和C-3-V曲線，就可以判斷二極管的PN結類型，計算PN結接觸電勢差VD,以及獲得PN結的雜質濃度分布信息.C-V法不僅可以應用于電子二極管和肖特基結，也可以應用于發光二極管(LED)的PN結特性研究，如新一代GaN基藍光LED.GaN是一種高亮度、耐高溫、抗腐蝕的寬禁帶直接帶隙的藍光半導體材料.GaN基LED所輻射的藍光，和GaAs基LED所輻射的紅光及綠光一起，構成了白光的三基色，目前已經廣泛應用于大型戶外平板顯示、白光照明等[4-6]方面.

本文通過C-V法測量GaN基PN結特性，并通過液氮制冷得到變溫的GaN基PN結的C-V曲線及相應的C-2-V曲線和C-3-V曲線，分析GaN基PN結的結構特性，以及溫度變化對GaN基PN結特性的影響.該實驗不僅能加深學生對二極管PN結及C-V法應用的認識和理解，還可以讓學生了解GaN新型半導體材料的相關知識，拓寬學生的知識視野，同時也是對近代物理實驗中常規C-V實驗的有益補充和拓展.

1 實驗原理

一般而言，采用合金法、擴散法、氣相沉積法和離子注入法等工藝制備的二極管PN結， 根據雜質濃度隨結寬的變化，PN結類型基本可分為突變結、線性緩變結及非突變非線性緩變結[2,7].PN結的雜質濃度分布如圖1所示.

(a)突變結

(b)線性緩變結

(c)非突變非線性緩變結

突變結的雜質分布特點是：N型區施主雜質濃度ND在交界面x=xj處，突變為P型區受主雜質濃度NA[如圖1(a)所示]，且ND和NA都是均勻分布.特別是當雜質濃度一側比另一側高很多，則稱為單邊突變結，單邊突變結的結寬主要集中在低雜質濃度一側.

線性緩變結的特點是:雜質濃度從PN結一側到另一側線性緩慢變化,如圖1(b)所示，其雜質分布可用雜質濃度梯度G來表示：

ND-NA=G(x-xj) .

(1)

若結PN的雜質分布既不符合突變結也不符合線性緩變結，則為非突變非線性緩變結，其雜質濃度分布如圖1(c)所示.

對任意結類型的PN結，其PN結空間電荷區域的電勢與電荷關系可以用泊松方程描述，若僅考慮縱向分布，則一維縱向分布的泊松方程為

(2)

其中ε0和εr分別為真空電容率和材料的相對電容率，ρ(x)和V(x)為空間電荷區凈電荷密度和電勢.

根據PN結的電容理論，如果假設耗盡層成立，同時認為雜質完全電離，則可通過泊松方程得到突變結PN結兩端的總電勢差與勢壘電容C的關系為[2,7]

(3)

圖2 突變結的C-2-V曲線關系

需要說明的是，對于單邊突變結，由于PN結兩側摻雜濃度相差幾個數量級，約化雜質濃度N*可看成是低濃度一側的平均雜質濃度.

對線性緩變結，同樣假設耗盡層成立，則PN結兩端的總電勢差與勢壘電容C的關系滿足：

(4)

圖3 線性緩變結的C-3-V曲線關系

對于非突變非線性緩變結，C-2-V曲線與C-3-V曲線都不呈線性關系,勢壘電容為

(5)

在雜質任意分布情況下均成立，其中l為PN結結寬，相應的約化雜質濃度隨結寬l的分布滿足：

(6)

對單邊突變結，約化雜質濃度N*可看成是低雜質濃度一側的雜質濃度.

實驗采用的樣品為市面上常見的普通亮度φ5 mm GaN基藍光LED，采用引腳式封裝，其中心波長為460～465 nm，工作電壓3.0～3.2 V，結面積S=6.25×10-4cm2，GaN材料的相對電容率εr=8.9，真空電容率ε0=8.854 pF/m.實驗儀器為CTG-1型高頻電容-電壓特性測試儀，溫度傳感器為標準Pt 100 Ω溫度探頭.LED樣品和溫度探頭緊挨著置于紫銅做成的圓柱形恒溫器內，以確保溫度探頭能真實反映樣品溫度.實驗時通過沉降法把LED樣品緩慢放入液氮杜瓦瓶，在LED樣品溫度分別為T=289,223,173,123,83 K時測量其C-V曲線.另外，為了減少PN結擴散電容對測量結果的影響，實驗時二極管施加偏壓為負偏壓，在負偏壓條件下，反向飽和電流很小，此時勢壘電容起主要作用，擴散電容可以忽略[7].在本實驗中，施加的負偏壓范圍為0～-8 V.

2 實驗結果與分析

2.1 GaN基藍光LED變溫C-V曲線

各個溫度下測得的GaN基藍光LED樣品的C-V曲線如圖4所示.圖4表明：

1)同一溫度下，PN結勢壘電容C隨著反向偏壓的增大而減小，呈現類似冪律衰減的變化[8].

2)在變溫情況下，溫度降低，則勢壘電容C變小，且溫度越低，其勢壘電容C隨著反向偏壓的變化就越平緩.表現為0～-8 V負偏壓范圍內，T=289 K時的C-V曲線比T=83 K的C-V曲線變化范圍要大.這是因為根據半導體的低溫載流子凍析效應，當溫度高于一定溫度時，雜質全部電離，而當溫度低于一定溫度時，雜質只是部分電離，尚有部分載流子被凍析在雜質能級上，即溫度高時電離的雜質濃度高于溫度低時電離的雜質濃度.所以施加同樣的反向偏壓時，溫度越低，勢壘電容越小.

圖4 GaN基藍光LED的變溫C-V曲線

2.2 判斷PN結類型

為了判斷該GaN基LED的PN結類型，選擇了T=289 K時樣品的C-2-V曲線和C-3-V曲線來進行最小二乘法線性回歸分析，擬合結果如圖5和圖6所示，擬合直線分別用圖中虛線表示.其中用于評價2條擬合直線優劣的Pearson線性相關系數絕對值均在0.99以上，并且擬合直線的顯著性F檢驗表明C-2-V曲線的線性關系及C-3-V曲線的線性關系均達到了0.05的顯著水平.

圖5 T=289 K時的C-2-V曲線

圖6 T=289 K時的C-3-V曲線

上述分析數據雖然表明該GaN基LED樣品的C-2-V曲線及C-3-V曲線均具有一定的線性關系，但是由于圖5中C-2-V曲線更多的點落在擬合直線上，而圖6中C-3-V曲線有稍微的彎曲，這說明C-2-V曲線具有更明顯的線性關系，因此把該發光二極管的PN結類型歸類為突變結.已知GaN基藍光LED制備的基本過程為在藍寶石襯底上先低溫生長1層很薄的GaN緩沖層，然后高溫生長摻Si的N型GaN層，最后再生長摻Mg的P型GaN，形成GaN基PN結.由于摻Mg會形成Mg-H絡合物，導致高濃度P型摻雜非常困難，需要熱退火處理才能形成有效的P型摻雜，因此一般的GaN基藍光LED均屬于N+P單邊突變結[9].

此外，為了進一步研究溫度變化對PN結類型的影響，分析不同溫度下的C-2-V曲線，其結果如圖7所示.圖7顯示，在室溫至液氮溫區內，GaN基PN結的C-2-V曲線仍保持線性關系，這說明環境溫度的變化不會改變該GaN基PN結的突變結結構特點.

圖7 不同溫度下GaN基LED的C-2-V曲線

2.3 計算雜質濃度分布

表1說明了單邊突變結N+P中P型區一側的雜質濃度在1017cm-3數量級，與文獻[10]相符.此外，雜質濃度隨著溫度的降低而減少，這是因為溫度降低至一定程度時，雜質將未能全部電離，使得PN結空間電荷區濃度降低，從而雜質濃度也隨之降低，圖8也驗證了這一現象.但是，由于雜質濃度分布NA(l)與C-V曲線的導數dC/dV有關，而導數對C-V曲線的起伏變化非常敏感，因此C-V曲線的微小起伏造成雜質濃度分布NA(l)在平均雜質濃度N*附近上下波動.

表1 不同溫度下的GaN基PN結平均雜質濃度

圖8 不同溫度下PN結雜質濃度隨結寬l的分布

2.4 計算PN結接觸電勢差VD

根據C-2-V曲線延長線在電壓橫軸上的截距，得到各個溫度下PN結的接觸電勢差VD，其結果如圖9(a)所示.圖9(a)表明：當溫度高于150 K時，接觸電勢差VD在3.4 V附近變動;當溫度低于150 K時，接觸電勢差VD隨著環境溫度的降低而快速升高，其數值從T=173 K時的3.39 V上升到T=83 K的7.65 V.根據PN結接觸電勢差公式[7]

(7)

可知，VD與P區雜質濃度NA、N區雜質濃度ND、溫度T、本征載流子濃度ni有關，同時，ni也受到溫度T的影響：

(8)

式中Nc和Nv分別是導帶和價帶的有效態密度：

(9)

(10)

(11)

因為Eg也和溫度有關，且一般呈負溫度關系.在不考慮雜質濃度對禁帶寬度影響的情況下，GaN材料的禁帶寬度Eg與溫度關系[11]為

(12)

其中Eg(0)=3.47 eV.由此式(11)可進一步具體寫成:

(13)

又因為kBT是能量量綱，可以用eV表示，且有1 eV=1.602×10-19J，由此根據式(7)最終得到的接觸電勢差VD與溫度的理論關系為

(14)

(14)式中VD單位為V.根據式(14)模擬計算得到的VD-T關系如圖9(b)中所示.

(a)實驗曲線

(b)理論曲線圖9 GaN基LED接觸電勢差VD隨溫度的變化

比較圖9中接觸電勢差VD的實驗曲線與理論曲線，發現理論與實驗VD均隨著溫度的降低而增加，變化趨勢與文獻[12]相符.其中在溫度高于150 K時，實驗曲線和理論曲線基本相符，但是隨著溫度繼續降低，實驗VD上升特別快，數值大幅升至7.6 V，而理論模擬值才上升至3.47 V左右.這說明實驗曲線和理論模擬曲線相比，出現較大偏差.我們認為有2個原因造成偏差：

1)在溫度高于150 K時，C-2-V曲線的線性還是很明顯的，這時可以認為是突變結.但是，當溫度小于150 K時，C-2-V曲線會出現稍微的彎曲，此時仍把該PN結看成突變結過于簡單，由此根據C-2-V曲線截距計算出來的結果會有偏差.

2)另一個主要原因是界面態導致，界面態對接觸電勢會有非常大的影響[13-14].界面態主要來自界面的懸掛鍵，或線缺陷延伸到表面形成的界面態，另外，還有表面吸附原子形成的界面態.界面態會在界面附近形成空間電荷區，使能帶在界面處彎曲并產生一定的勢壘，最終導致PN結的總接觸電勢變大.如果界面態密度很大，會產生接觸勢壘被高界面態密度釘扎(pinned)的現象.在本實驗中，當溫度降得很低時(如低于150 K)，會有更多的電子(空穴)被界面態捕獲，界面附近的空間電荷區加強，導致能帶在界面處彎曲更厲害，界面態對PN結總接觸電勢差的作用凸顯.最終使得PN結的總接觸電勢差快速上升，脫離理論值，并造成C-2-V曲線在溫度低于150 K時出現稍微彎曲的現象.

3 結束語

電容-電壓法是一種常用的、有效的二極管PN結特性測量方法，不僅可以用于電子二極管及肖特基結的測量，還可以應用于發光二極管PN結特性測量中.通過給二極管施加反向偏置電壓V，測量相應的PN結電容C，就可以根據C-V曲線、C-2-V曲線和C-3-V曲線來判斷二極管結類型，計算接觸電勢差，獲得PN結的雜質濃度分布信息.該實驗是大學物理專業高年級近代物理實驗教學中的常選實驗，但平時的實驗教學只涉及室溫條件下電子二極管PN結特性測量.本文把C-V法拓展應用到新型GaN基發光二極管的PN結特性測量中，并通過液氮制冷得到變溫的GaN基PN結的C-V曲線，分析溫度變化對GaN基PN結特性的影響.該實驗操作簡單，測量數據可靠，可作為大學近代物理實驗的綜合設計性、創新性實驗.該實驗不僅能加強學生對電容-電壓測量技術的認識和理解，還可以讓學生接觸低溫制冷，了解GaN基新材料和新器件的特性，在實驗的過程中體驗科學技術進步，拓展知識視野.

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[責任編輯：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

國家自然科學基金資助(No.10575039)；廣東省自然科學基金資助(No.S2013010012548)

符斯列(1972-)，男，海南臨高人，華南師范大學物理與電信工程學院副教授，博士，研究方向為III-V族化合物半導體的低溫制備及材料特性.

O475

A

1005-4642(2017)05-0001-06