2024年4月6日发(作者：仵文丽)

第３３卷第７期　

发　光　学　报　。　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ　

Ｖ０１．３３　Ｎｏ．７　

２０１２年７月　

Ｊｕｌｙ，２０１２　

文章编号：１０００—７０３２（２０１２）０７－０７８５－０５　

温度对ｐ－ＩｎＮ薄膜光电导灵敏度的影响　

冯　丽　

（北京大学物理学院，北京１００８７１）　

摘要：研究了Ｐ型ＩｎＮ的光电导效应。利用分子束外延技术（ＭＢＥ）法生长出高质量的ＩｎＮ薄膜，在此基础　

上利用Ｍｇ掺杂获得了ｐ－ＩｎＮ。原位反射高能电子衍射（ＲＨＥＥＤ）表明样品在生长过程中保持二维生长模式，　

原子力显微镜（ＡＦＭ）测试结果显示台阶流的生长模式。实验发现，Ｐ型ＩｎＮ的光电导灵敏度随温度的升高而　

降低。其主要原因是当温度升高时，光生载流子浓度降低和样品背景浓度升高共同造成的。　

关键词：分子束外延；原位反射高能电子衍射；Ｍｇ掺杂ｐ－ＩｎＮ；光电导灵敏度　

文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３７８８／ｆｇｘｂ２０１２３３０７．０７８５　中图分类号：０４７２．３　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ　Ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　

ｎｇ－ｄｏｐｅｄ　Ｐ－－ＩｎＮ　Ｌａｙｅｒｓ　

ＦＥＮＧ　Ｌｉ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｐｅｋｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　（　ｉｉｆｎｇ　１００８７１，Ｃｈｉｎａ）　

Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　Ａｕｔｈｏｒ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｌ　＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｗｅ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔ０ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｇｒｏｗｎ　ｂｙ　

ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｂｅａｍ　ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）．Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗａｓ　ｖｅｒｙ　ｆｌａｔ　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｙ　

ｂｏｔｈ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＲＨＥＥＤ）ａｎｄ　ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）．Ｗｅ　

ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｐｈｏｔ０ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒｓ．　Ｗｅ　ｆｏｕｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　

ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｐｈｏｔｏｎ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｂｅａｍ　ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）；ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＲＨＥＥＤ）；Ｍｇ　ｄｏｐｅｄ　Ｐ—　

ＩｎＮ；ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　

１　引　言　

发光波长范围，从ＡＩＮ到ＩｎＮ可以从紫外区覆盖　

到红外区，在多波段发光器件、高转换效率的太阳　

能薄膜电池等方面具有广泛的应用前景『】　。　

Ｐ型掺杂是ＩｎＮ研究的重要一环，是实现ＩｎＮ　

基光电子器件的先决条件之一。随着材料生长技　

术的提高。已有利用Ｍｇ掺杂实现Ｐ型ＩｎＮ的报　

随着薄膜外延技术的提高，利用分子束外延　

（ＭＢＥ）技术生长的ＩｎＮ薄膜的质量有了显著的　

提高。近年来，研究发现室温下ＩｎＮ的禁带宽度　

为０．６３～０．６５　ｅＶ，而不是先前普遍认为的１．９　

ｅＶ［¨］

。

这一发现大大拓宽了Ⅲ族氮化物材料的　

道＿８］．然而目前还没有关于ｐ－ＩｎＮ光电导现象的　

收稿日期：２０１２—０４．２６：修订日期：２０１２—０５－３０　

作者简介：冯丽（１９８８一），女，安徽宿州人，主要从事氮化物半导体材料与器件研究。　

Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｌｉｓｌｐ＠ｇｍａｉｌ．ｔｏｍ　

７８６　发　光　学　报　第３３卷　

报道。本文在生长Ｐ型ＩｎＮ的基础上，研究了Ｐ　

型ＩｎＮ的光电导现象，观察到光电导灵敏度随着　

温度的升高而降低，其原因是随温度的升高，背景　

浓度升高和光生载流子浓度降低。　

２　样品制备与光电导实验　

采用ＭＢＥ技术生长不同Ｍｇ掺杂浓度的ＩｎＮ　

薄膜样品。选用的衬底是利用ＭＯＣＶＤ法在蓝宝　

石上生长的ＧａＮ模板（ＧａＮ层厚４．５　ｍ）。在高　

温除气后，先生长一层２００　ｎｍ厚的ＧａＮ，然后降　

温生长３０　ＶＩＭ的非掺杂ＩｎＮ层，最后生长掺Ｍｇ　

的ＩｎＮ。厚度为８００　Ｈｉｌｌ。　

为了避免日光对ＩｎＮ光电导测量的影响，实　

验前把待测样品保持在测试暗室中１０　ｈ以上。　

光电导效应测量采用波长为８０８　ｎｍ的连续激光　

作为激发光源，光功率为８０　ｍｗ（１．３　Ｗ／ｃｍ　）。　

四点范德堡Ｈａｌｌ图形用来测量Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜　

中载流子的输运性质。欧姆接触为Ｔｉ／Ａ１／Ｎｉ／Ａｕ　

（２０　ｎｍ／１７５　ｎｍ／３５　ｎｍ／１５０　ｎｍ）多层金属，用磁　

控溅射方法沉积得到。利用Ｈａｌｌ变温系统调节　

温度变化（１００～３００　Ｋ）。磁场强度为０．５０３　Ｔ。　

整个测量是在真空的条件下进行的。　

３　实验结果与分析　

图１为ＭＢＥ生长Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜［１１２０］　

晶面典型的ＲＨＥＥＤ图。生长过程中ＲＨＥＥＤ图　

案始终保持为条纹状，表明样品在生长过程中保　

持二维生长模式．即外延层表面较为平坦。随着　

生长的进行，ＲＨＥＥＤ条纹亮度逐渐变暗，可能是　

富Ｉｎ生长条件下累积的金属对ＲＨＥＥＤ条纹产生　

了遮蔽效应　

图２为原子力显微镜（ＡＦＭ）观察到的Ｍｇ掺　

杂ＩｎＮ薄膜的表面形貌，在３　ｍ×３　Ｉｘｍ的扫描　

围内，其表面粗糙度（ＲＭＳ）值低至０．８９　ＢＥ，从中　

可以看出Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜表面具有台阶流生范　

图１　Ｍｇ掺杂ＩｎＮ样品生长过程中典型ＲＨＥＥＤ图案　

Ｆｉｇ．１　ＲＨＥＥＤ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ　

图２　Ｍｇ掺杂ＩｎＮ样品在３　ｍ×３　ｍ的扫描范围内典　

型的ＡＦＭ表面形貌图　

Ｆｉｇ．２　ＡＦＭ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　Ｍｇ　ｄｏｐｅｄ　ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ａ　ｓｃａｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　

３　ｍ×３　Ｉｘｍ　

长模式，这也表明其具有非常平整的表面形貌。　

ＲＨＥＥＤ和ＡＦＭ测量结果表明，通过ＭＢＥ法　

可以生长出高质量的Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜。为了确　

认该生长条件下Ｍｇ掺杂ＩｎＮ是否为Ｐ型，我们　

通过Ｈａｌｌ系统测量了该样品的输运特性（室温　

下），测量结果如表１所示。　

表１室温下Ｈａｌｌ效应测量的样品的电子浓度（，１）和迁　

移率（　）　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ（ｎ）ａｎｄ　

ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ（　）ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ—ｆｉｅｌｄ　

Ｈａ１１一ｅｆｆｅｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　

由表１可以看出，由于ＩｎＮ表面的电子堆积　

层，Ｍｇ掺杂的ＩｎＮ薄膜都表现出ｎ型（由载流子　

浓度的负号可以判断）。所以通过常温Ｈａｌｌ效应　

测量无法判断是否获得了ｐ－ＩｎＮ薄膜。但是通过　

变温Ｈａｌｌ效应测量可以判断其是否为Ｐ型，因为　

ｐ－ＩｎＮ的迁移率随着温度升高会出现转折点　

（Ｋｉｎｋ）　，结果显示该生长条件下我们已经成　

功制备了Ｐ—ＩｎＮ薄膜。　

不同浓度Ｍｇ掺杂的ｐ－ＩｎＮ薄膜的变温光电　

导实验结果如图３所示。图３给出了样品２（样　

品１也观察到相同现象）分别在１００，１６０，２４０，　

３００　Ｋ的光电导现象（电流均归一化）。由图３可　

以看出，随着温度的升高，光电流的增大幅度减　

小，即光电导灵敏度减小［”。　。光电导灵敏度［１。］　

第７期　冯丽：温度对ｐ－ＩｎＮ薄膜光电导灵敏度的影响　７８７　

．　．　矗０　２０苔　

定义为　

ｓ：　，　．（１）　

ｄ　一　

其中ｉ　为光电流（未扣除暗电流），ｉ　为暗电流。　

图３　ｐ－ｌｎＮ薄膜样品２的光电导现象随温度的变化关　

系，　和ｆ分别表示加光和不加光。　

Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　８０８　ｎｍ　

ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ（ｓａｍｐｌｅ　２）ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｒｎ—　

ｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓ　０ｎ　ａｎｄ　ｏｆｆ　ｍａｒｋｅｄ　ｂｙ　

ａｎｄ　ｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．　

为了进一步研究样品光电导灵敏度随温度的　

变化关系。本文对２号样品光电流和暗电流进行　

了变温测试，如图４（ａ）所示，光电流和暗电流均　

随着温度的升高而上升，但是光电流上升的幅度　

在减小．即光电流的增益△　在减小如图４（ｂ）所　

＾・　

示。令ｉ。＝ｉｄ＋△　，将ｓ＝　变形为Ｓ＝１＋　。　

’　／＊ｄ　Ｌｄ　

由图４（ｂ）可知△ｉ随温度升高而减小。当温度由　

１００　Ｋ升高到３００　Ｋ时，△　从０．０２　ｍＡ降到０．００５　

ｍＡ。另一方面暗电流ｉ　随着温度的升高而增　

大。从１．１５　ｍＡ上升到１．４　ｍＡ，从而使得光电流　

与暗电流的比值即光电导灵敏度随着温度升高而　

减小（图４（Ｃ））。光电导灵敏度从１００　Ｋ到３００　

Ｋ大约降低了２％。　

由前面分析可以看出，光电流增益△　和暗电　

流ｉ　共同影响了光电导灵敏度，所以需要进一步　

讨论△　和ｉ　随温度的变化关系。因为光电流的　

增益△　正比于光电导，所以仅需讨论光电导Ａｏｒ　

随温度的变化关系即可。　

由于ｐ－ＩｎＮ的双层结构，总的电导应该是每　

层的电导之和　。　：　

∑ｏｒ￣ｉｄ　，　（２）　

其中ｏｒ　是每层单位面积的电导，ｄ　是每层的厚　

度。则　

鲁　

。　

０　

扫苫Ｉｓ　ｇ五∞２０召ｌｌ　

ｌ　ｌ；ｉ　ｌ　ｌ　

图４样品２的光电流和暗电流（ａ）、光电流增益△　（ｂ）　

及光灵敏度（Ｃ）随温度的变化关系。　

Ｆｉｇ．４　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｒｋ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏ—　

ｃｕｒｒｅｎｔｓ（ａ），ｐｈｏｔｏｅｕｒｒｅｎｔ　ｇａｉｎ（Ａｉ）（ｂ），ａｎｄ　ｐｈｏｔｏ—　

ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ（ｅ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ（ｓａｍｐｌｅ　２）．　

ｏｒ＝ｏｒ　ｄ　＋ｏｒｂｄｂ，　（３）　

其中ｏｒ　、ｄ　是表面电导和厚度，ｏｒ　、ｄ　是体内电导　

和厚度。尽管表面电子堆积层的背景浓度很高，　

但厚度仅为十几纳米｜１　，远小于样品厚度（８００　

Ｈｉｌ１），所以可以认为光电导现象是体内效应。则　

无光照情况下电导　

ｒｏ１＝ｑｐｏｔＺｐ，　（４）　

光照后电导　

Ｏ－２　ｑｐｏｔＺ　＋ｑＡ１）ｌ－ｔ　＋ｑＡｎｌ￣　，　（５）　

其中　。．Ｉｔ　、Ｐ。、Ａｎ、△ｐ分别为空穴迁移率、电子迁　

移率、无光照时空穴浓度、光生电子浓度和光生空　

７８８　发　光　学　报　第３３卷　

穴浓度．并且我们假设光照后迁移率没有变化。　

又因为　。　，Ａｎ＝ａｐ，所以光电导　

Ａｏ－＝　２一ｏｒ１＝ｑＡｎｇ　，　（６）　

从图５可以看到，当温度上升时，热激发载流　

子浓度增大，从而导致光电流和暗电流都随温度　

的升高而增大（图５（ａ）），但光生载流子的浓度　

Ａｎ随温度的升高而降低（图５（ｂ））。　

根据光电导灵敏度的定义可知：一方面光生　

载流子浓度越低。光照后引起的△　越小，即△　

越小，则光电导灵敏度Ｊｓ越小；另一方面背景载流　

可见光电导正比光生电子浓度。用变温Ｈａｌｌ效　

应测量了有光和无光情况下载流子浓度随温度的　

变化关系，如图５所示。　

子浓度越高，即暗电流越大，则光电导灵敏度ｓ也　

越低。由此可见，随着温度的升高，光生载流子浓　

度下降，导致光电流增益△　变小，并且背景载流　

子浓度升高，导致暗电流ｉ　增大，从而光电导灵　

敏度随温度的升高而降低。　

综上所述．光生载流子浓度和暗电流共同影　

响着光电导灵敏度的大小，光生载流子浓度越高，　

暗电流越小，光电导灵敏度越大。并且可以看出，　

光生载流子浓度和暗电流都对温度具有较大的敏　

感性．从而使得光电导灵敏度对温度具有较高的　

敏感性。　

４　结　论　

采用ＭＢＥ法成功制备了高质量的Ｍｇ掺杂　

ｐ－ＩｎＮ薄膜。并且通过对其光电导现象的研究，　

’，Ｋ　

在温度１００～３００　Ｋ的变化范围内，发现光电导灵　

图５　（ａ）有光照和无光照时载流子浓度随温度的变化关　

系；（ｂ）光生载流子△ｎ随温度的变化关系。　

Ｆｉｇ．５　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ（ａ）Ｈａｌｌ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｃｅｎ—　

敏度随温度升高而下降。通过载流子浓度随温度　

的变化关系得到，光生载流子浓度随着温度的升　

高而下降，并且暗电流随着温度的升高而升高。是　

产生这一现象的主要原因。　

ｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ（ｂ）ｐｈｏｔｏｎ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｃａｒｒｉｅｒｅｏｎｃｅｎｔｒａ—　

ｔｉｏｎ（Ａｎ）ｉｎ　ｔｈｅ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ．　

参考文献：　

ｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ，２００５，７１　［１］Ｌｉ　Ｓ　Ｘ，Ｙｕ　Ｋ　Ｍ，Ｗｕ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｆｅｒｍｉ—ｌｅｖｅｌ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎ　ｇｒｏｕｐ　ｌｌＩ　ｎｉｔｒｉｄｅｓ［Ｊ］．　

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第７期　冯丽：温度对ｐ－ＩｎＮ薄膜光电导灵敏度的影响　７８９　

［８］Ｄｉｎｇ　Ｓ　Ｆ，Ｆａｎ　Ｇ　Ｈ，Ｌｉ　Ｓ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｆｉｒｓｔ—ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆｔｈｅ　ｐ－ｔｙｐｅ　ｄｏｐｅｄ　ＩｎＮ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｐｈｙｓｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ（物理学报），　

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［１２］Ｊｏｎｅｓ　Ｒ　Ｅ，Ｙｕ　Ｋ　Ｍ，Ｌｉ　Ｓ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．Ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｐ－ｔｙｐｅ　ｄｏｐｉｎｇ　ｏｆＩｎＮ［Ｊ］．　．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，２００６，９６（１２）：１２５５０５—１＿４．　

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Ｌｅｔｔ．，２００９，９５（１６）：１６２１１２—１—３．　

［１４］Ｓｏｃｉ　Ｃ，Ｚｈａｎｇ　Ａ，Ｘｉａｎｇ　Ｂ，ｅｔ　ａ１．ＺｎＯ　ｎａｎｏｗｉｒｅ　ＵＶ　ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｇａｉｎ［Ｊ］．Ｎａｎｏ　Ｌｅｔｔ．，２００７，７　

（４）：１００３—１００９．　

［１　５］Ａｒｎａｕｄｏｖ　Ｂ，Ｐａｓｋｏｖａ　Ｔ，Ｅｖｔｉｍｏｖａ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｍｕｈｉｌａｙｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｈａｌｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｄａｔａ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　

ｓｔｅｐ—ｃｈａｎｇｅｄ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，２００３，６７（４）：０４５３１４　１—１０．　

［１６］Ｗａｎｇ　Ｘ　Ｑ，Ｃｈｅ　Ｓ　Ｂ，Ｉｓｈｉｔａｎｉ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ｈｏｌｅ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ｐ－ｔｙｐｅ　ＩｎＮ　ｉｆｈｎｓ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，２００８，９２　

（１３）：１３２１０８—１—３．　

［１７］Ｂａｉｌｅｙ　Ｌ　Ｒ，Ｖｅａｌ　Ｔ　Ｄ，Ｋｅｎｄｒｉｃｋ　Ｃ　Ｅ，ｅｔ　ａ１．Ｓｕｌｆｕｒ　ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩｎＮ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．　

Ｌｅｔｔ．，２００９．９５（１９）：１９２１ｌ１　１　３．　

2024年4月6日发(作者：仵文丽)

第３３卷第７期　

发　光　学　报　。　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ　

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２０１２年７月　

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文章编号：１０００—７０３２（２０１２）０７－０７８５－０５　

温度对ｐ－ＩｎＮ薄膜光电导灵敏度的影响　

冯　丽　

（北京大学物理学院，北京１００８７１）　

摘要：研究了Ｐ型ＩｎＮ的光电导效应。利用分子束外延技术（ＭＢＥ）法生长出高质量的ＩｎＮ薄膜，在此基础　

上利用Ｍｇ掺杂获得了ｐ－ＩｎＮ。原位反射高能电子衍射（ＲＨＥＥＤ）表明样品在生长过程中保持二维生长模式，　

原子力显微镜（ＡＦＭ）测试结果显示台阶流的生长模式。实验发现，Ｐ型ＩｎＮ的光电导灵敏度随温度的升高而　

降低。其主要原因是当温度升高时，光生载流子浓度降低和样品背景浓度升高共同造成的。　

关键词：分子束外延；原位反射高能电子衍射；Ｍｇ掺杂ｐ－ＩｎＮ；光电导灵敏度　

文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３７８８／ｆｇｘｂ２０１２３３０７．０７８５　中图分类号：０４７２．３　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ　Ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　

ｎｇ－ｄｏｐｅｄ　Ｐ－－ＩｎＮ　Ｌａｙｅｒｓ　

ＦＥＮＧ　Ｌｉ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｐｅｋｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　（　ｉｉｆｎｇ　１００８７１，Ｃｈｉｎａ）　

Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　Ａｕｔｈｏｒ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｌ　＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｗｅ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔ０ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｇｒｏｗｎ　ｂｙ　

ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｂｅａｍ　ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）．Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗａｓ　ｖｅｒｙ　ｆｌａｔ　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｙ　

ｂｏｔｈ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＲＨＥＥＤ）ａｎｄ　ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）．Ｗｅ　

ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｐｈｏｔ０ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒｓ．　Ｗｅ　ｆｏｕｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　

ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｐｈｏｔｏｎ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｂｅａｍ　ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）；ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＲＨＥＥＤ）；Ｍｇ　ｄｏｐｅｄ　Ｐ—　

ＩｎＮ；ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　

１　引　言　

发光波长范围，从ＡＩＮ到ＩｎＮ可以从紫外区覆盖　

到红外区，在多波段发光器件、高转换效率的太阳　

能薄膜电池等方面具有广泛的应用前景『】　。　

Ｐ型掺杂是ＩｎＮ研究的重要一环，是实现ＩｎＮ　

基光电子器件的先决条件之一。随着材料生长技　

术的提高。已有利用Ｍｇ掺杂实现Ｐ型ＩｎＮ的报　

随着薄膜外延技术的提高，利用分子束外延　

（ＭＢＥ）技术生长的ＩｎＮ薄膜的质量有了显著的　

提高。近年来，研究发现室温下ＩｎＮ的禁带宽度　

为０．６３～０．６５　ｅＶ，而不是先前普遍认为的１．９　

ｅＶ［¨］

。

这一发现大大拓宽了Ⅲ族氮化物材料的　

道＿８］．然而目前还没有关于ｐ－ＩｎＮ光电导现象的　

收稿日期：２０１２—０４．２６：修订日期：２０１２—０５－３０　

作者简介：冯丽（１９８８一），女，安徽宿州人，主要从事氮化物半导体材料与器件研究。　

Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｌｉｓｌｐ＠ｇｍａｉｌ．ｔｏｍ　

７８６　发　光　学　报　第３３卷　

报道。本文在生长Ｐ型ＩｎＮ的基础上，研究了Ｐ　

型ＩｎＮ的光电导现象，观察到光电导灵敏度随着　

温度的升高而降低，其原因是随温度的升高，背景　

浓度升高和光生载流子浓度降低。　

２　样品制备与光电导实验　

采用ＭＢＥ技术生长不同Ｍｇ掺杂浓度的ＩｎＮ　

薄膜样品。选用的衬底是利用ＭＯＣＶＤ法在蓝宝　

石上生长的ＧａＮ模板（ＧａＮ层厚４．５　ｍ）。在高　

温除气后，先生长一层２００　ｎｍ厚的ＧａＮ，然后降　

温生长３０　ＶＩＭ的非掺杂ＩｎＮ层，最后生长掺Ｍｇ　

的ＩｎＮ。厚度为８００　Ｈｉｌｌ。　

为了避免日光对ＩｎＮ光电导测量的影响，实　

验前把待测样品保持在测试暗室中１０　ｈ以上。　

光电导效应测量采用波长为８０８　ｎｍ的连续激光　

作为激发光源，光功率为８０　ｍｗ（１．３　Ｗ／ｃｍ　）。　

四点范德堡Ｈａｌｌ图形用来测量Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜　

中载流子的输运性质。欧姆接触为Ｔｉ／Ａ１／Ｎｉ／Ａｕ　

（２０　ｎｍ／１７５　ｎｍ／３５　ｎｍ／１５０　ｎｍ）多层金属，用磁　

控溅射方法沉积得到。利用Ｈａｌｌ变温系统调节　

温度变化（１００～３００　Ｋ）。磁场强度为０．５０３　Ｔ。　

整个测量是在真空的条件下进行的。　

３　实验结果与分析　

图１为ＭＢＥ生长Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜［１１２０］　

晶面典型的ＲＨＥＥＤ图。生长过程中ＲＨＥＥＤ图　

案始终保持为条纹状，表明样品在生长过程中保　

持二维生长模式．即外延层表面较为平坦。随着　

生长的进行，ＲＨＥＥＤ条纹亮度逐渐变暗，可能是　

富Ｉｎ生长条件下累积的金属对ＲＨＥＥＤ条纹产生　

了遮蔽效应　

图２为原子力显微镜（ＡＦＭ）观察到的Ｍｇ掺　

杂ＩｎＮ薄膜的表面形貌，在３　ｍ×３　Ｉｘｍ的扫描　

围内，其表面粗糙度（ＲＭＳ）值低至０．８９　ＢＥ，从中　

可以看出Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜表面具有台阶流生范　

图１　Ｍｇ掺杂ＩｎＮ样品生长过程中典型ＲＨＥＥＤ图案　

Ｆｉｇ．１　ＲＨＥＥＤ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　Ｍｇ—ｄｏｐｅｄ　ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ　

图２　Ｍｇ掺杂ＩｎＮ样品在３　ｍ×３　ｍ的扫描范围内典　

型的ＡＦＭ表面形貌图　

Ｆｉｇ．２　ＡＦＭ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　Ｍｇ　ｄｏｐｅｄ　ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ａ　ｓｃａｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　

３　ｍ×３　Ｉｘｍ　

长模式，这也表明其具有非常平整的表面形貌。　

ＲＨＥＥＤ和ＡＦＭ测量结果表明，通过ＭＢＥ法　

可以生长出高质量的Ｍｇ掺杂ＩｎＮ薄膜。为了确　

认该生长条件下Ｍｇ掺杂ＩｎＮ是否为Ｐ型，我们　

通过Ｈａｌｌ系统测量了该样品的输运特性（室温　

下），测量结果如表１所示。　

表１室温下Ｈａｌｌ效应测量的样品的电子浓度（，１）和迁　

移率（　）　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ（ｎ）ａｎｄ　

ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ（　）ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ—ｆｉｅｌｄ　

Ｈａ１１一ｅｆｆｅｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　

由表１可以看出，由于ＩｎＮ表面的电子堆积　

层，Ｍｇ掺杂的ＩｎＮ薄膜都表现出ｎ型（由载流子　

浓度的负号可以判断）。所以通过常温Ｈａｌｌ效应　

测量无法判断是否获得了ｐ－ＩｎＮ薄膜。但是通过　

变温Ｈａｌｌ效应测量可以判断其是否为Ｐ型，因为　

ｐ－ＩｎＮ的迁移率随着温度升高会出现转折点　

（Ｋｉｎｋ）　，结果显示该生长条件下我们已经成　

功制备了Ｐ—ＩｎＮ薄膜。　

不同浓度Ｍｇ掺杂的ｐ－ＩｎＮ薄膜的变温光电　

导实验结果如图３所示。图３给出了样品２（样　

品１也观察到相同现象）分别在１００，１６０，２４０，　

３００　Ｋ的光电导现象（电流均归一化）。由图３可　

以看出，随着温度的升高，光电流的增大幅度减　

小，即光电导灵敏度减小［”。　。光电导灵敏度［１。］　

第７期　冯丽：温度对ｐ－ＩｎＮ薄膜光电导灵敏度的影响　７８７　

．　．　矗０　２０苔　

定义为　

ｓ：　，　．（１）　

ｄ　一　

其中ｉ　为光电流（未扣除暗电流），ｉ　为暗电流。　

图３　ｐ－ｌｎＮ薄膜样品２的光电导现象随温度的变化关　

系，　和ｆ分别表示加光和不加光。　

Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　８０８　ｎｍ　

ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ（ｓａｍｐｌｅ　２）ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｒｎ—　

ｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓ　０ｎ　ａｎｄ　ｏｆｆ　ｍａｒｋｅｄ　ｂｙ　

ａｎｄ　ｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．　

为了进一步研究样品光电导灵敏度随温度的　

变化关系。本文对２号样品光电流和暗电流进行　

了变温测试，如图４（ａ）所示，光电流和暗电流均　

随着温度的升高而上升，但是光电流上升的幅度　

在减小．即光电流的增益△　在减小如图４（ｂ）所　

＾・　

示。令ｉ。＝ｉｄ＋△　，将ｓ＝　变形为Ｓ＝１＋　。　

’　／＊ｄ　Ｌｄ　

由图４（ｂ）可知△ｉ随温度升高而减小。当温度由　

１００　Ｋ升高到３００　Ｋ时，△　从０．０２　ｍＡ降到０．００５　

ｍＡ。另一方面暗电流ｉ　随着温度的升高而增　

大。从１．１５　ｍＡ上升到１．４　ｍＡ，从而使得光电流　

与暗电流的比值即光电导灵敏度随着温度升高而　

减小（图４（Ｃ））。光电导灵敏度从１００　Ｋ到３００　

Ｋ大约降低了２％。　

由前面分析可以看出，光电流增益△　和暗电　

流ｉ　共同影响了光电导灵敏度，所以需要进一步　

讨论△　和ｉ　随温度的变化关系。因为光电流的　

增益△　正比于光电导，所以仅需讨论光电导Ａｏｒ　

随温度的变化关系即可。　

由于ｐ－ＩｎＮ的双层结构，总的电导应该是每　

层的电导之和　。　：　

∑ｏｒ￣ｉｄ　，　（２）　

其中ｏｒ　是每层单位面积的电导，ｄ　是每层的厚　

度。则　

鲁　

。　

０　

扫苫Ｉｓ　ｇ五∞２０召ｌｌ　

ｌ　ｌ；ｉ　ｌ　ｌ　

图４样品２的光电流和暗电流（ａ）、光电流增益△　（ｂ）　

及光灵敏度（Ｃ）随温度的变化关系。　

Ｆｉｇ．４　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｒｋ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏ—　

ｃｕｒｒｅｎｔｓ（ａ），ｐｈｏｔｏｅｕｒｒｅｎｔ　ｇａｉｎ（Ａｉ）（ｂ），ａｎｄ　ｐｈｏｔｏ—　

ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ（ｅ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ（ｓａｍｐｌｅ　２）．　

ｏｒ＝ｏｒ　ｄ　＋ｏｒｂｄｂ，　（３）　

其中ｏｒ　、ｄ　是表面电导和厚度，ｏｒ　、ｄ　是体内电导　

和厚度。尽管表面电子堆积层的背景浓度很高，　

但厚度仅为十几纳米｜１　，远小于样品厚度（８００　

Ｈｉｌ１），所以可以认为光电导现象是体内效应。则　

无光照情况下电导　

ｒｏ１＝ｑｐｏｔＺｐ，　（４）　

光照后电导　

Ｏ－２　ｑｐｏｔＺ　＋ｑＡ１）ｌ－ｔ　＋ｑＡｎｌ￣　，　（５）　

其中　。．Ｉｔ　、Ｐ。、Ａｎ、△ｐ分别为空穴迁移率、电子迁　

移率、无光照时空穴浓度、光生电子浓度和光生空　

７８８　发　光　学　报　第３３卷　

穴浓度．并且我们假设光照后迁移率没有变化。　

又因为　。　，Ａｎ＝ａｐ，所以光电导　

Ａｏ－＝　２一ｏｒ１＝ｑＡｎｇ　，　（６）　

从图５可以看到，当温度上升时，热激发载流　

子浓度增大，从而导致光电流和暗电流都随温度　

的升高而增大（图５（ａ）），但光生载流子的浓度　

Ａｎ随温度的升高而降低（图５（ｂ））。　

根据光电导灵敏度的定义可知：一方面光生　

载流子浓度越低。光照后引起的△　越小，即△　

越小，则光电导灵敏度Ｊｓ越小；另一方面背景载流　

可见光电导正比光生电子浓度。用变温Ｈａｌｌ效　

应测量了有光和无光情况下载流子浓度随温度的　

变化关系，如图５所示。　

子浓度越高，即暗电流越大，则光电导灵敏度ｓ也　

越低。由此可见，随着温度的升高，光生载流子浓　

度下降，导致光电流增益△　变小，并且背景载流　

子浓度升高，导致暗电流ｉ　增大，从而光电导灵　

敏度随温度的升高而降低。　

综上所述．光生载流子浓度和暗电流共同影　

响着光电导灵敏度的大小，光生载流子浓度越高，　

暗电流越小，光电导灵敏度越大。并且可以看出，　

光生载流子浓度和暗电流都对温度具有较大的敏　

感性．从而使得光电导灵敏度对温度具有较高的　

敏感性。　

４　结　论　

采用ＭＢＥ法成功制备了高质量的Ｍｇ掺杂　

ｐ－ＩｎＮ薄膜。并且通过对其光电导现象的研究，　

’，Ｋ　

在温度１００～３００　Ｋ的变化范围内，发现光电导灵　

图５　（ａ）有光照和无光照时载流子浓度随温度的变化关　

系；（ｂ）光生载流子△ｎ随温度的变化关系。　

Ｆｉｇ．５　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ（ａ）Ｈａｌｌ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｃｅｎ—　

敏度随温度升高而下降。通过载流子浓度随温度　

的变化关系得到，光生载流子浓度随着温度的升　

高而下降，并且暗电流随着温度的升高而升高。是　

产生这一现象的主要原因。　

ｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ（ｂ）ｐｈｏｔｏｎ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｃａｒｒｉｅｒｅｏｎｃｅｎｔｒａ—　

ｔｉｏｎ（Ａｎ）ｉｎ　ｔｈｅ　ｐ－ＩｎＮ　ｌａｙｅｒ．　

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