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引言
? ? ? 最近，氮化鎵基藍(lán)色、綠色和紫外線發(fā)光二極管取得了巨大進(jìn)展。這些氮化物基發(fā)光二極管也有可能用于固態(tài)照明。然而，為了實(shí)現(xiàn)固態(tài)照明，需要進(jìn)一步提高這些發(fā)光二極管的輸出效率。眾所周知，氮化鎵基發(fā)光二極管的光提取效率主要受到氮化鎵薄膜和周圍空氣折射率差異大的限制。光子從氮化鎵薄膜中逃逸的臨界角由斯內(nèi)爾定律決定。角度對(duì)于發(fā)光二極管的光提取效率至關(guān)重要。
? ? ? 本文通過(guò)化學(xué)濕法刻蝕工藝制備了背面粗糙的氮化鎵基發(fā)光二極管，提高了光提取效率。穩(wěn)定的晶體蝕刻面形成為氮化鎵面。當(dāng)近紫外和藍(lán)色發(fā)光二極管以20 mA的正向電流工作時(shí)，發(fā)光二極管的輸出功率從13.2和24.0毫瓦。不同的增強(qiáng)比歸因于濕法刻蝕后N面氮化鎵襯底上的六角錐導(dǎo)致的透射率隨波長(zhǎng)的變化。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? 本方法中使用的n-UV和藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管都是在SR-4000大氣壓金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中生長(zhǎng)在c面(0001) 2英寸GaN襯底上的。我們制造了氮化鎵襯底。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)由4米厚的摻硅氮化鎵氮包層、多量子阱(MQW)有源層、20納米厚的p型摻鎂鋁鎵氮層和200納米厚的摻鎂氮化鎵層組成。MQW有源區(qū)由5個(gè)周期的2.4納米厚的未摻雜銦鎵氮阱層和9納米厚的未摻雜氮化鎵阻擋層組成。在MQW生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的峰值波長(zhǎng)。這些紫外和藍(lán)色發(fā)光二極管的峰值波長(zhǎng)分別為405和450納米。為了制造發(fā)光二極管，氧化銦錫首先作為透明接觸層沉積在這些發(fā)光二極管上。然后，我們部分蝕刻樣品表面，直到n型氮化鎵層暴露出來(lái)。我們隨后將鉻/金沉積在暴露的n型和p型氮化鎵層上，作為n型和p型電極。在芯片工藝之后，外延晶片然后被研磨到大約110 μm。我們隨后將這些樣品放入熱的2m氫氧化鉀溶液中。
? ? ? 在濕法蝕刻過(guò)程中，我們使用80℃的蝕刻時(shí)間(10分鐘)。然后我們使用劃線和斷裂來(lái)完成發(fā)光二極管的制造。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)和工藝步驟的示意圖如圖1所示。通過(guò)這種工藝流程制造的發(fā)光二極管器件，在沒(méi)有和有化學(xué)濕法蝕刻工藝的情況下，分別被定義為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光二極管和粗糙背面發(fā)光二極管。n-UV和藍(lán)色發(fā)光二極管分別定義為發(fā)光二極管一(包括ST-LED一和RB-LED一)和發(fā)光二極管二(包括ST-LED二和RB-LED二)。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察這些發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)。這些芯片是正面安裝在銀TO-46和環(huán)氧樹(shù)脂模制。我們使用HP4156半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)量了它們的室溫電流-電壓特性。這些制造的發(fā)光二極管的光輸出功率-電流(–)特性也使用帶有集成球體檢測(cè)器的模制發(fā)光二極管進(jìn)行測(cè)量。為了最小化加熱效應(yīng)，注入電流是具有1%占空比和10千赫頻率的脈沖電流源。
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結(jié)果和討論
? ? ? 為了了解RB-LED的濕蝕刻過(guò)程，我們還制備了具有不同濕蝕刻時(shí)間的氮化鎵襯底樣品。這些樣品也被定位到大約1.10米。圖2顯示蝕刻前(a)樣品I的30張瓷磚和(b)樣品III、(c)5分鐘：樣品III，(d)10分鐘：樣品IV、(e)樣品V30分鐘：樣品V和(f)60分鐘）SEM圖像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用n面氮化鎵的化學(xué)蝕刻溶液可以觀察到錐體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，蝕刻時(shí)間的增加可以增加六角形金字塔的高度，降低六角形金字塔的密度。這些結(jié)果總結(jié)在表1。
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表1 不同氫氧化鉀蝕刻時(shí)間下垂直深度和密度的金字塔結(jié)果
? ? ? 因?yàn)闈裎g刻過(guò)程是通過(guò)帶負(fù)電荷的羥基離子進(jìn)行的，所以鎵面氮化鎵比氮面氮化鎵更穩(wěn)定，因?yàn)殒墭O氮化鎵表面有帶負(fù)電荷的三懸掛鍵。在這項(xiàng)研究中，N面氮化鎵暴露在氮化鎵襯底的底部。因此，在芯片的底部會(huì)形成六角錐。通過(guò)暴露更多的OH離子來(lái)增加蝕刻時(shí)間，蝕刻過(guò)程不斷地發(fā)生反應(yīng)。還發(fā)現(xiàn)蝕刻過(guò)程在氮化鎵層的六個(gè)面結(jié)束。
? ? ? 為了理解表面紋理如何影響光提取效率，進(jìn)行了透射測(cè)量。圖3示出了在具有不同蝕刻時(shí)間的化學(xué)濕法蝕刻工藝之后，來(lái)自鎵面氮化鎵襯底的透射光譜作為波長(zhǎng)的函數(shù)。樣品一、二、四和五的這些測(cè)量透射率樣品與掃描電鏡測(cè)量的相同，如圖3所示。透射強(qiáng)度是相對(duì)值。圖3(a)是沒(méi)有化學(xué)濕蝕刻工藝的氮化鎵襯底的透射率。發(fā)現(xiàn)405納米波長(zhǎng)的透射率低于450納米波長(zhǎng)。從450納米到405納米，透射率估計(jì)降低了18.3%，因?yàn)?05納米波長(zhǎng)接近氮化鎵帶隙，氮化鎵帶隙可能比450納米波長(zhǎng)吸收更大。圖3(b)示出了具有不同化學(xué)濕法蝕刻時(shí)間的氮化鎵襯底的透射率。值得注意的是，透射率將強(qiáng)烈依賴于405納米波長(zhǎng)總是大于450納米波長(zhǎng)的透射率。
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圖3 鎵面氮化鎵的透射光譜與波長(zhǎng)的關(guān)系(a)沒(méi)有化學(xué)濕法蝕刻工藝，以及(b)具有各種化學(xué)濕法蝕刻時(shí)間
? ? ? 化學(xué)濕法刻蝕后，樣品二、四、五的405納米波長(zhǎng)的透射值分別比450納米波長(zhǎng)提高了9.1、6.8和6.3%。隨著濕法腐蝕時(shí)間的增加，增強(qiáng)率降低。換句話說(shuō)，六邊形金字塔較小的垂直長(zhǎng)度和較高的密度有利于405 nm波長(zhǎng)處的透射率。因此，我們使用化學(xué)濕法蝕刻工藝來(lái)補(bǔ)償18.3%的透射率損失。相反，可以更好地提高405納米波長(zhǎng)的透射值。
? ? ? 圖4(a)顯示了這些制造的具有20 mA電流注入的發(fā)光二極管的RT電致發(fā)光(EL)光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種發(fā)光二極管的發(fā)光峰分別出現(xiàn)在405納米和450納米。這可以歸因于使用與紫外和藍(lán)色發(fā)光二極管完全相同的外延層和相同的MQW結(jié)構(gòu)。還發(fā)現(xiàn)銣-發(fā)光二極管的電致發(fā)光強(qiáng)度大于鍶-發(fā)光二極管。這可以歸因于銣-發(fā)光二極管更好的光提取效率。圖4(b)顯示了這些制造的發(fā)光二極管的特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)光二極管的20 mA正向電壓分別為3.14、3.16、3.27和3.28伏。從銣-發(fā)光二極管觀察到的稍大的正向電壓可能與銣濕法腐蝕引起的阻尼有關(guān)。此外，在圖4(b)中觀察到RB-LED I和RB-LED II的不同增強(qiáng)比率。這是由于化學(xué)濕法刻蝕后六角錐的透光率隨波長(zhǎng)的變化不同，使得RB-LEDⅰ的光提取效率比RB-LEDⅱ有所提高。對(duì)于RB結(jié)構(gòu)，RB-LED I的輸出功率比RB-LED II大6.7%。
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總結(jié)
? ? ? 綜上所述，我們提出并制備了具有粗糙背面氮化鎵襯底的氮化物基led。通過(guò)化學(xué)濕蝕刻過(guò)程，可以在n面形氮化鎵襯底中形成六角形金字塔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蝕刻時(shí)間的增加可以增加六角金字塔的高度，降低六角金字塔的密度。與ST-LED相比，我們發(fā)現(xiàn)RB-LEDI和RB-LEDII可以將20mA的輸出功率分別提高94%和29%。此外，RB-LEDI的輸出功率比RB-LEDII大6.7%。與藍(lán)色發(fā)光二極管相比，n-UV發(fā)光二極管的較大改進(jìn)歸因于化學(xué)濕法蝕刻工藝后六邊形金字塔作為波長(zhǎng)的函數(shù)的不同透射率。