固然GaN LEDs的發(fā)展相當成功，但是應用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)制程卻讓它們的p型摻雜區(qū)域無法達到幻想的特征。對于一個像是能夠達到固態(tài)照明目標的真實亮度發(fā)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持續(xù)摻雜剖面結構的高摻雜濃度的p型區(qū)域，但現(xiàn)今制程會產(chǎn)生阻礙電流疏散(current spreading)的高阻抗材料，當產(chǎn)生較差的奧姆接觸(ohmic contacts)時會增加把持電壓并阻礙高驅動電流。
　這件事是起源于應用尺度摻雜物-鎂進行有機金屬氣相沉積(MOCVD)來長成固有特征的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后置熱活化所造成的。然而，即使如此處理過之后的p型GaN仍有0.1 Ω-cm或更高的阻值存在，由于需要更高的把持電壓而限制了最高亮度的LEDs的發(fā)光效率。
　這些高電阻的成因可能源自表面的氫氣造成鈍化成果所致(氫氣為尺度MOCVD載體氣體)。成膜后置熱活化會損壞鎂–氫錯合物并增進導電度，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封閉線型真空管后的鍍膜腔體內(nèi)，然后在后續(xù)不該有鎂成份的成膜過程中被接收。
　針對上述的標題，我們已經(jīng)發(fā)展出不應用純氫氣的薄膜沉積制程。本研究工作(由美國能源部的固態(tài)照明打算援助)所應用的氫化物氣相外延(HVPE)制程技巧是以氨氣(NH3)及氯化氫(HCl)當做反應氣體并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(dislocation densities)。
　以氬氣做為載體氣體的有機金屬氣相沉積(MOCVD)長晶并不會更有后果, 由于第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。
　我們用專利開發(fā)的多基板型(multiwafer)HVPE反應器來沉積 p-型GaN層在(0001) c-晶面的藍寶石(sapphire)，而沉積條件上設定在典范的速率1 μm/min及1050 &ordm；C，并應用高純度鎵材料作為III族的蒸鍍源，并以鎂做為摻雜物。
　根據(jù)二次離子質譜儀(secondary ion mass spectrometry；SIMS)量測成果，我們制作出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)具有平滑的表面，而X-ray繞射量測成果顯示高摻雜濃度并不會影響晶體的的質量。在樣品中不需要靠活化來產(chǎn)生p型的導電度。以汞探針量測的電容-電壓 (C-V)實驗成果可得知在鎂原子濃度為1 × 1017 cm–3下的p-型導電度，C-V測試成果也顯示出受體凈濃度 (受體數(shù)目扣除施體數(shù)目) 高達3 × 1019 cm–3，這樣的摻雜濃度正好適于形成不錯的奧姆接觸(ohmic contact)。
　載體濃度范疇在4 × 1017 – 1.5 × 1018 cm–3的沉積層的電性量測實驗成果顯示電阻率為0.02–1.00 Ω-cm，而電洞移動率至少能達到像MOCVD-沉積出的薄膜電性成果一樣好，而這樣的成果表現(xiàn)HVPE沉積而成的LEDs應當具有相當不錯的電流疏散(current-spreading)特征。二次質譜儀(SIMS)量測成果也顯示出我們的材料不易受到記憶效應(memory effect)影響(圖一)。
　比氫氣更高濃度的鎂下(圖二)造成高導電度與高受體凈濃度的成因，根據(jù)我們丈量兩組(1–3) × 1019 cm–3鎂原子濃度摻雜的樣品成果，對于高摻雜來說將氫氣濃度降到最低乃是關鍵。4 × 1017 cm–3氫氣濃度天生的樣品具有1.2 × 1019 cm–3的受體凈濃度，而1 × 1018 cm–3氫氣濃度天生的薄膜的凈濃度只有1.3 × 1018 cm–3。氫氣濃度變更造成某一個樣品中的鎂幾乎全部被活化而其它的部份則只有10％被活化。
　我們已經(jīng)驗證了我們下發(fā)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)無法制作的“下發(fā)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(fā)光波長介于450–515 nm。




作者
Vladimir Dmitriev是TDI的董事長及CEO，他已于2008年1月6日逝世。
Alexander Usikov為TDI的研發(fā)主管及資深科學家。他目前的研究著重在III-N半導體物理及新奇技巧。作者們十分感謝陸軍研究院(Army Research Laboratory)及巴洛阿圖研究中心(Palo Alto Research Center)在LED制程上的協(xié)助，同時感謝美國能源部、商務部及國防部的資金援助，以及TDI工程師和科學家團隊的研究與付出，和Oleg Kovalenkov、Vitaly Soukhoveev和Vladimir Ivantsov在本研究上的貢獻。