Ni(10 Å )/Ag(1500 Å )Mg(500 Å ) 电极在 450 ℃ 、氧气气氛下退火 2 分钟，获得了优秀的欧姆接触特性，接触电阻系数低于 9. 0 × 10 -6 Ω cm 2 。此外，电极在 400-500nm 的波长范围的反射系数超过 80% 。再退火时， Mg 覆层抑制了过多的氧进入到 Ni 和 Ag 层中，使得电极具有较好的反射系数和平滑的表面质量。

　　为了获得更大的出光效率和散热，芯片倒装和垂直结构设计都已经被应用到 GaN基发光二极管中 1,2 。在这些结构中，从器件发光区发出的光被 p-GaN 上的欧姆电极反射。由于 Ag 具有高的反射率(约 95% )，所以 Ag 非常适合做欧姆电极 3 。此外，在氧气气氛中退火后的 Ag 基欧姆电极具有低的接触电阻( 5. 0 × 10 -6 Ω cm 2 量级) 4-7 。然而在氧气中退火导致 Ag 被氧化或团聚，最终降低了电极的反射率以及电极和 GaN 、覆层金属的接触 6-8 。因此防止 Ag 被氧化和凝聚是获得适合高功率的固态照明 LEDs 使用的高质量的 Ag 基欧姆电极的重要方面。

　　在这篇文章中，介绍了一种新的金属蒸镀方法，利用这种方法可以得到具有高的反射系数( >80% )和低的接触电阻( <10 -5 Ω cm 2 )的欧姆电极。在 p-GaN 上的 Ni/Ag 欧姆电极上蒸镀 Mg 覆层，可以显著提高电极的光反射系数和表面形貌。对电极金属和 GaN 界面处的界面反 应采用次级离子质谱( SIMS )深度剖面和 同步辐射光电发射谱( SRPES )进行分析。基于以上实验结果，对在电极上增加 Mg 覆层的效果和 Ni/Ag 电极的光学性能进行了讨论。

　　本文中使用金属有机气相沉积( MOCVD )在蓝宝石衬底的( 0001 )面上生长 Mg 掺 p-GaN 薄膜。使用传输线矩阵方法( TLM )对电极电阻进行精确测量，活性区在浸入沸腾的王水溶液中去除表面氧化物后，被 Cl 2 /BCl 3 的电感耦合等离子体定义。表面处理后的样品通过使用光刻胶来刻出 TLM 测试结构需要结构。在金属沉积之前，所有样品都被浸入到 HCl ：去离子水( 1:1 )溶液中 2 分钟。在经过 HCl 处理后， Ni(10 Å )/Ag(1500 Å )Mg(500 Å ) 金属在 2 × 10 -7 乇下，通过电子束蒸发方法依次沉积到样品上。使用含有 5at.%Zn 的 Mg 靶沉积 Mg 。

　　Ni(10 Å )/Ag(1500 Å ) 金属也相对照的沉积。样品在 300 ℃ -700 ℃ 温度范围内，氧气气氛下，退火 2 分钟。电流 - 电压特性曲线通过半导体参数分析器得到。电极的光反射系数通过装配了氙灯的单色仪测量。在光的反射系数测量中，入射光束在背面抛光的蓝宝石衬底以 4 5 °入射，反射光束通过光电倍增管校准。

　　图 1 显示的是 Ni/Ag 和 Ni/Ag/Mg 电极的接触电阻系数随退火温度的变化关系。直接沉积的电极展示的 I-V 特性关系是非线性的，但是随着退火温度的升高，电极的 I-V 特性表现出欧姆关系。 Ni/Ag/Mg 电极在退火温度为 400 ℃ ， 450 ℃ ， 500 ℃ 时，电极电阻率分别为 1.8 × 10 -5 Ω cm 2 , 9. 0 × 10 -6 Ω cm 2 , 3.5 × 10 -5 Ω cm 2 。

图 1. Ni/Ag 和 Ni/Ag/Mg 电极的接触电阻系数随退火温度的变化关系

　　当 Ni/Ag/Mg 电极在 600 ℃ 退火， 电阻率低于 1.7 × 10 -4 Ω cm 2 时， 仍然显示欧姆特性。如果把这个结构生长在 p-GaN 衬底上，可能会得到较好的效果。

图 2. 沉积后未处理的 Ag 电极和氧气气氛下退火的 Ni/Ag 和 Ni/Ag/Mg 电极的反射光谱

　　图 2 显示的是沉积后未处理的 Ag 电极和氧气气氛下退火的 Ni/Ag 和 Ni/Ag/Mg 电极的反射光谱。沉积后未处理的 Ag 电极在 460nm 波长处具有 95% 的反射系数。而 Ni/Ag 电极的反射系数只有 76.7% 。值得注意的是 Ni/Ag/Mg 电极的反射系数有了显著提高，在 460nm 波长处， Ni/Ag/Mg 电极的反射系数是 82.5% 。

　　为了研究电极金属和 GaN 之间的界面反应，对退火后的 Ni/Ag 和 Ni/Ag/Mg 电极做了 次级离子质谱( SIMS )深度剖面图，结果如图 3 ( a )和图 3 ( b )所示。对于 Ni/Ag 电极， Ag 完全向内扩散到了界面区域，而 Ga 原子也从 GaN 向外扩散到了电极表面。氧原子的含量剖面与 Ni 原子含量剖面一致，这说明形成了 NiO 。电极金属和 GaN 之间的相互扩散与前面的结果相一致 7 。对于 Ni/Ag/Mg 金属电极， Ag 的向内扩散和 Ga 的向外扩散也都被观察到了。氧含量剖面和 Mg 含量剖面相一致显示出在电极表面间附近形成了 MgO 。很容易确定的是氧浓度在 Mg/Ag 界面附近显著降低，因此 Ni 没有转变成 NiO 。这说明在退火时， Mg 覆层阻止了过多的氧扩散到下层的 Ag 和 Ni 金属中。

图 3. 退火后的电极的 次级离子质谱( SIMS )深度剖面图( a ) Ni/Ag 和( b ) Ni/Ag/Mg

　　同步辐射光电发射谱被用来研究在退火时电极金属之间的相互扩散。图 4 显示的是 Ni/Ag/Mg 薄膜电极在 450 ℃ 退火前后金属 Ni 2p ， Ag 3d 和 Mg 2p 芯能级。 Ni 2p 峰的强度在退火后显著增加，而 Ag 3d 的峰的强度确显著减少，这意味着在退火时 Ni 的向外扩散和 Ag 的向内扩散同时发生。在 Mg 2p 光谱中，峰强度的变化很小，这意味着在退火后 Mg 仍旧在表面处作为覆层。在退火后所有金属的结合能都向低能级方向移动，这与阻碍空穴向界面处移动的肖特基势垒高度的降低相符合。

图 4. Ni/Ag/Mg 薄膜电极在 450 ℃ 退火前后的同步辐射光电发射谱( a ) Ni 2p ，( b ) Ag 3d 和( c ) Mg 2p 芯能级

　　图 5 显示的是 Ni/Ag 和 Ni/Ag/Mg 电极退火后表面形貌的扫描电子显微照片。 Ni/Ag 电极的表面形貌非常不规则。具有虫状岛屿是电极表面退火后 Ag 团聚的特征 10 。 Ag 的团聚主要是因为 Ag 膜与下面的衬底和上面的覆层结合不好导致的 7 。 Ag 的团聚也导致了在团聚区域光反射效率的降低 6 。而 Ni/Ag/Mg 合金表面形貌却非常平坦，这是 Ag 的团聚被 Mg 覆层抑制的结果。

图 5. 电极退火后表面形貌的扫描电子显微照片( a ) Ni/Ag ( b ) Ni/Ag/Mg

　　光的反射系数和表面形貌的提高都是增加 Mg 覆层的结果。氧分子在氧化退火时促进了 Ga 原子从 GaN 向外扩散。同时，向外扩散的 Ga 原子与向内扩散的 Ag 原子相结合，形成 Ga-Ag 固溶体 6 ， 7 。导致了欧姆接触的形成。过多的氧分子氧化 Ni ，形成 NiO 2 ，如图 3 ( a )所示。此外， Ag 层也被氧化和发生团聚，如图 3 ( a )和图 5 ( a )所示。这导致了 Ni/Ag 电极反射系数的降低和表面形貌变得粗糙。然而， NiO 2 和团聚的 Ag 层在 Ni/Ag/Mg 电极中没有观察到，如图 3 ( b )和图 5 ( b )所示。在 450 ℃ 时，形成 MgO ， Ag 2 O 和 NiO 的吉布斯自由能分别是 -267 ， 3.70 和 -90.7kJ/mol ，这意味着在 Ni/Ag/Mg 电极中 最有利于生成 MgO 。因此， Mg 可以通过形成 MgO ，来阻止氧原子进入到 Ag 层和 Ni 层。从而保证了 Ni/Ag/Mg 电极具有高的反射系数和平滑的表面。

　　最后，包含 Ni/Ag/Mg 的蒸镀方法可以在 p-GaN 上获得高反射系数和低电阻的欧姆电极。得到了 接触电阻系数低于 9. 0 × 10 -6 Ω cm 2 ，反射系数为 82.5% 。 Ga 原子向外扩散，与 Ag 层形成了 Ga-Ag 固溶体。 Mg 作为阻挡过多的氧进入到 Ag 层和 Ni 层的扩散阻挡层，提高了电极的反射系数和表面质量。所以， Ni/Ag/Mg 电极非常适合使用在使用了芯片倒装和垂直结构的大功率 GaN 基 LEDs 中。

　　参考文献

　　1J. J. Wierer, D. A. Steigerwald, M. R. Krames, J. J. O'Shea, M. J. Ludowise, G. Christenson, Y.-C. Shen, C. Lowery, P. S. Martin, S. Subramanya, W. Götz, N. F. Gardner, R. S. Kern, and S. A. Stockman, Appl. Phys. Lett. 78 [Page], 3379 2001.

　　2W. S. Wong, T. Sands, N. W. Cheung, M. Kneissl, D. P. Bour, P. Mei, L. T. Romano, and N. M. Johnson, Appl. Phys. Lett. 77 , 2822 2000.

　　3K. Okamoto, I. Niki, A. Shvartser, Y. Narukawa, T. Mukai, and A. Scherer, Nat. Mater. 3 , 601 2004.

　　4J.-O. Song, J. S. Kwak, and T.-Y. Seong, Appl. Phys. Lett. 86 , 062103_2005_.

　　5J.-Y. Kim, S.-I. Na, G.-Y. Ha, M.-K. Kwon, I.-K. Park, J.-H. Lim, S.-J.Park, M.-H. Kim, D. Choi, and K. Min, Appl. Phys. Lett. 88 , 0435072006.

　　6H. W. Jang and J.-L. Lee, Appl. Phys. Lett. 85 , 5920 2004.

　　7J.-O. Song, J. S. Kwak, Y. Park, and T.-Y. Seong, Appl. Phys. Lett. 86 ,062104 2005.

　　8D. L. Hibbard, S. P. Jung, C. Wang, D. Ullery, Y. S. Zhao, H. P. Lee, W. So, and H. Liu, Appl. Phys. Lett. 83 , 311 2003.

　　9J. K. Kim, J. L. Lee, J. W. Lee, H. E. Shin, Y. J. Park, and T. Kim, Appl. Phys. Lett. 73 , 2953 1998.

　　10H. C. Kim, N. D. Theodore, and T. L. Alford, J. Appl. Phys. 95 , 5180 2004.

　　11J. F. Moulder, W. F. Strickle, P. E. Sobol, and K. D. Bomben, Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy _Perkin-Elmer, Eden Prairie , MN , 1992, p. 121 and 213.