喻 斌，王玉霞

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022)

0 引言

ITO有比较高的导电性以及在可见光范围内的高透过率，所以它被广泛的应用于LED作为P-GaN的透明电极提高外量子效率。但是，由于很难形成高掺杂浓度的P-GaN(＞1018cm-3)以及P-GaN本身具有很高的功函数(～7.5 eV)，P-GaN很难与ITO形成高质量的欧姆接触，接触电阻始终很难低于10-4Ω·cm2。因此作为固态照明应用的高功率GaN-LED来说，较低的接触电阻和高可靠性的P型欧姆接触是关键。退火是最常用的减小欧姆接触电阻的方式，但是方块电阻会随着退火温度和时间的增加而变大。增大的方块电阻会明显的阻碍电流的扩展形成电流拥塞现象降低大功率;LED的外量子效率。为了提高外量子效率，需要同时减小P型透明电极的接触电阻以及方块电阻。因此像Ni/ITO，ZnNi/ITO等很多种金属掺杂的ITO薄膜已经被研究，Ni/ITO透明电极与P型GaN可以形成～8×10-4Ωcm2的接触电阻和在450-550nm超过80%的透过率。ZnNi/ITO多层膜与P型GaN接触时可以得到f～1.27×10-4Ωcm2的接触电阻和在460nm波长超过90%的透过率。June-O Song报道Ag/ITO具有更加优异的性能，其中在460nm的透过率超过90%，与P-GaN的接触电阻为1.2×10-4Ω cm2，但是Ag/ITO的方块电阻并未研究。

本论文的主要目的是为了制备出有较低的方块电阻和接触电阻以及较高的透射率，通过改变Ag插入层的厚度、退火温度以及退火时间，研究Ag/ITO的光电性能及变化规律。用分光光度计测量透射率，用半导体参数测试仪测试方块电阻和接触电阻。实验结果显示，当Ag(0.5nm)/ITO膜在600℃的压缩空气中退火10分钟后，它在455nm的透过率超过90%，与P型GaN的接触电阻为～1.386×10-4Ω·cm2方块电阻～11Ω/sq。

1 实验

采用双面抛光的蓝宝石和GaN-LED外延片作为衬底片。用磁控溅射的方式分别将0.5、2、4nm厚的Ag沉积在蓝宝石衬底上，再将260nm厚的ITO(In2O3:SnO2=9:1)膜用电子束热蒸发的方式沉积在Ag层上，最后将Ag/ITO膜在退火炉中退火，退火温度从400℃至600℃间隔50℃，退火时间从1分钟至22分钟间隔3分钟。用分光光度计测量透射率，用半导体参数测量仪测量方块电阻和I-V曲线，用同样的方式将Ag/ITO膜沉积在1.5μm厚的P型GaN外延层上(5×1017cm-3)，然后进行同样的退火工艺，在退火后的Ag/ITO膜上光刻出圆形传输线图形，其中内圆半径为80μm，外圆与内环半径之差从9μm至34μm，最后用半导体参数测试仪测量出I-V曲线，用圆形传输线模型公式计算出接触电阻。

2 结果和讨论

2.1 透过率

图1(a)显示Ag(0.5nm)/ITO(260nm)膜经过400℃到600℃和1分钟到22分钟的退火后在455nm波长的透过率，结果显示当退火温度在400℃、450℃和500℃的时候，Ag/ITO的透射率始终低于78%，当Ag/ITO在550℃和600℃的温度下退火22分钟时，透过率分别为87%和91%。图1(b)显示Ag(2nm)/ITO(260nm)膜经过400℃到600℃和1分钟到22分钟的退火后在455nm波长的透过率，结果显示当退火温度低于550℃时，其透过率低于74%，当退火温度达到550℃和600℃时透过率明显增大。图1(c)显示Ag(4nm)/ITO(260nm)膜经过400℃到600℃和1分钟到22分钟的退火后在455nm波长的透过率。从图1(a-c)中我们能够看出Ag的厚度对Ag/ITO的透过率有显著地影响，Ag的厚度从4nm减小到0.5nm，相应的最佳透过率从74%增加至90%。同一厚度的Ag/ITO膜的透过率随着退火温度和退火时间的增加而增大。导致这种透射规律的原因可能是退火增加时ITO更加容易再结晶形成稳定的化学结构以及ITO的氧化。而且增加的退火温度会使Ag层氧化形成Ag纳米颗粒矩阵从而增大Ag/ITO膜的透过率。

图1 不同厚度Ag的Ag/ITO膜在400℃ 到600℃的温度中退火1至22分钟后在455nm 波长的透过率，(a)Ag(0.5 nm)/ITO(260 nm)、(b)Ag(2 nm)/ITO(260 nm)、(c)Ag(4 nm)/ITO(260 nm)

图2 不同厚度Ag的Ag/ITO膜在400℃ 到600℃的温度中退火1至22分钟后的方块电阻，(a)Ag(0.5 nm)/ITO(260 nm)、(b)Ag(2 nm)/ITO(260 nm)、(c)Ag(4 nm)/ITO(260 nm)

2.2 方块电阻

图2(a-c)显示不同厚度的Ag的Ag/ITO膜经过400℃到600℃和1分钟到22分钟的退火后的方块电阻，从图2(a)可以看出退火温度低于550℃时Ag(0.5nm)/ITO的方块电阻从7Ω/sq缓慢增加到8Ω/sq，当在600℃下退火10分钟后其方块电阻从7Ω/sq增大到11Ω/sq，在600℃下退火22分钟后方块电阻达到16Ω/sq，但是仍然比ITO在500℃的方块电阻(20Ω/sq)要小。从图2(b-c)能够看出Ag(2nm)/ITO和Ag(4nm)/ITO膜在退火温度低于550℃时，随着退火温度和时间的增加方块电阻在7Ω/sq和10Ω/sq之间。不同膜厚的Ag/ITO在退火温度低于550℃时方块电阻都很低，可能是因为少量的Ag被氧化以及Ag受热在Ag/ITO膜中形成纳米颗粒。在退火温度600℃时Ag/ITO中的Ag大量氧化生成Ag的氧化物阻碍了电子的传输，进而导致方块电阻的快速增加，但是精确地原因还需要进一步的研究。

2.3 接触电阻

不同Ag厚度的Ag/ITO在600℃下退后10分钟厚与P型GaN接触测得的I-V曲线图如图3所示，由图3能看出Ag(0.5nm)/ITO(260nm)取得最好的欧姆接触特性，不同厚度Ag的Ag/ITO在不同温度下退火10分钟时分别的接触电阻值如表1所示。接触电阻用CTLM(圆形传输线)模型测量［12］。从表中能看出Ag(0.5nm)/ITO膜的退火温度从400℃向600℃逐渐增加时，其接触电阻从1.386×10-4Ωcm2减小到1.564×10-5Ωcm2。Ag(0.5nm)/ITO膜与P-GaN的接触电阻比已经报道的ITO与P-GaN的接触电阻要小很多［5，6］。可能的原因是在ITO/GaN的使GaN的表面处产生Ga空穴。这种GaN表面高浓度的Ga空穴增加了表面的载流子浓度进而减小了Ag/ITO与P-GaN的接触电阻。

表1 不同厚度Ag的Ag/ITO膜不同退火温度退火10分钟后与P-GaN间的接触电阻值面处产生Ag纳米点，而高温使Ga扩散到Ag纳米点中形成Ag-Ga固溶体

图3 Ag(0.5，2，4 nm)/ITO膜在600℃退火10分钟I－V曲线图

3 结语

试验通过改变Ag/ITO中Ag的厚度、退火温度和退火时间，研究Ag/ITO的光电性能。从结果中能看出透过率随着退火温度和退火时间的增加迅速增大，却随着Ag厚度的增加而减小。将Ag(0.5nm)/ITO(260nm)膜在600℃条件下通入压缩空气退火10分钟，其在455nm波长的透过率达到90%。Ag/ITO的这种随退火温度和时间变化的规律和ITO膜的变化规律相似。当退火温度低于550℃时，由于Ag的少量氧化和Ag纳米颗粒的形成，随着退火温度和时间的增加Ag/ITO膜的方块电阻从7Ω/sq至10Ω/sq缓慢上升。掺Ag的多层膜Ag/ITO与P-GaN的接触电阻比ITO与P-GaN的接触电阻要低很多，Ag(0.5nm)/ITO(260nm)膜在600℃的压缩空气中退火10分钟，其在455nm波长的透过率达到90%，方块电阻约为11Ω/sq，接触电阻为1.386×10-4Ω·cm2。这样光电性能优良的Ag/ITO膜可以有效的改善与P-GaN的接触性能提高外量子效率，其作为P型透明电极应用于大功率LED有广阔的前景。

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