由二氧化硅圖案選擇性生長GaN薄膜的斜側(cè)壁方面的InGaN發(fā)光二極管

1、選擇性生長GaN薄膜的二氧化硅斜側(cè)壁InGaN發(fā)光二極管 Jinn-Kong Sheu,1,* Kuo-Hua Chang,1 Shang-Ju Tu,1 Ming-Lun Lee,1,2 Chih-Ciao Yang,1 Che-Kang Hsu,1 and Wei-Chih Lai1 1光電科學(xué)與工程學(xué)院,先進的光電技術(shù)中心和中心為微/納米科學(xué)與技術(shù),國家成功大學(xué),70101,臺灣臺南市2部門的光電工程、南臺灣大學(xué),臺南,臺灣* .tw文摘:在這項研究中,基于氮化鎵發(fā)光二極管(led)和自然形成的斜側(cè)壁 (OSFs)是通過選擇性再生過程制造。二氧化硅層

2、是在摻雜n-GaN模板層而不是藍寶石襯底。因此,外圍的幾個OSFs LED在GaN層。在處理過程中、干蝕刻對于曝光了n gan底層層以形成歐姆接觸的n型是不必要的。這可能是由于這樣的事實,即n gan模板層與一個電子濃度約8×1018 /立方厘米被曝光后,去除了二氧化硅掩模層。與注入電流20 mA,基于氮化鎵發(fā)光二極管與OSFs表現(xiàn)出21%的增強在光輸出與那些有垂直側(cè)壁面。增強是因為光子提取OSFs可以減少內(nèi)部吸收的損失。©2010美國光學(xué)學(xué)會OCIS代碼:(230.3670)發(fā)光二極管;(230.0250)(230.5590)光電子學(xué);量子阱設(shè)備。引用和鏈接1e . f&

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9、善接觸性能的氮化鎵薄膜使用硅擴散,“達成。列托人。76(14),1878(2000)。13j·k·許鳳,g . c .太極,“摻雜工藝和摻雜劑特點的贛、“j。14、R657(2002)。1介紹決定發(fā)光二極管(LED)的外部量子效率(EQE)原因不只是通過的內(nèi)部量子效率，而且也與活動層光子的萃取效率(LEE)有關(guān)。光子從高折射率半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)移到低折射率材料的物質(zhì),如從空氣到樹脂1。相當(dāng)一部分的能量被用來克服由LED的內(nèi)部反射造成的大量的光子損失。一個大的臨界角或粗糙表面對于提高光子生成在發(fā)光二極管活躍層逃跑的可能性是必要的。雖然一種半導(dǎo)體的折射率不能被改變,但是能通過粗化半導(dǎo)

10、體表面來增強光的輸出。光子隨機角度可以通過從發(fā)光二極管粗糙上表面的表面散射來實現(xiàn)。因此,粗化表面的發(fā)光二極管可以用來克服光在這些表面的全反射。有幾種方法來使以氮化鎵為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管變的粗糙。一個是通過蝕刻的過程;然而,這種方法容易改變p-GaN層的表面特性,從而降低設(shè)備的電氣性能,2。相比之下,這個控制生長條件來獲得粗糙表面的過程優(yōu)于蝕刻法。這個自然形成的V型表面以及自改變生長條件的成長期間接觸層的p-GaN小金字塔式的應(yīng)用是兩個著名的途徑3,4。自然形成的紋理在p-GaN層可以減少內(nèi)部光在GaN /空氣界面的反射和增強光子的萃取效率(LEE)。一個類似的概念已經(jīng)應(yīng)用到芯片側(cè)壁。因此,更多的

11、光子可以從使用紋理側(cè)壁方面相比傳統(tǒng)平側(cè)壁面LED逃離5。最近,李等人基于GaN發(fā)光二極管與通過等離子體蝕刻的GaN側(cè)壁導(dǎo)向板的制造增強光子的萃取效率6。側(cè)壁反射導(dǎo)致了LED的部分斜面。這些使更多的光子從相比傳統(tǒng)的用側(cè)壁面垂直于襯底的LED燈斜面到基質(zhì)的逃離側(cè)壁7。在本研究中,我們展示另一種旨在實現(xiàn)斜側(cè)壁(OSFs) 基于n-GaN的發(fā)光二極管為改善光的萃取效率的方法。外延層藍色led InGaN /GaN的結(jié)構(gòu)有選擇地種植在n-GaN模板上。這個模板準備使用二氧化硅金屬有機氣相外延(MOVPE)來生成OSFs。對比于先前的報道,二氧化硅掩模層是仿效一個n-GaN模板層而不是表面上的藍寶石襯底。

12、除了加強光的萃取效率,這種方法還有其他的優(yōu)勢,包括討論了其簡單的處理和低成本。詳細的處理程序和相關(guān)結(jié)果,包括電氣和光學(xué)特性的發(fā)光二極管。2實驗本研究樣本用于被種植在c表面(0001)2英寸在一個垂直金屬有機氣相外延(MOVPE)反應(yīng)堆的藍寶石基板。在LED結(jié)構(gòu)增長之前，n型GaN外延層,包括1m厚無摻雜GaN層和一個2m厚的硅摻雜n-GaN層,在藍寶石基板上成長為模板的隨后的再生過程。N-GaN模板載體濃度層約8×1018 /立方厘米。二氧化硅層被沉積在n-GaN模板層然后選擇性地蝕刻使用hydroflouric溶液形成一系列的模式的模板。后來,模板和無花紋的二氧化硅層分別裝入以In

13、GaN /n-GaN為基礎(chǔ)的再生層反應(yīng)堆的MOVPE。這些包括一個1.7m厚硅摻雜n-GaN層生長在1000°C,一個10對In0.3Ga0.7N /氮化鎵生長的兩種結(jié)構(gòu)750°C,一個0.05m厚摻p-Al0.15Ga0.85N電子阻擋層生長在1000°C,和一個0.1m厚摻磷氮化鎵頂部接觸層1000°C也增長。最后,一個重摻硅短周期超晶格(SPS)結(jié)構(gòu)生長在p-GaN接觸面上8。對于InGaN /n-GaN MQW活躍區(qū)域,每一對有一個3 nm厚In0.27Ga0.73N井層和一個17海里厚GaN阻擋層。圖1.(a) LED-I的結(jié)構(gòu)和光子路徑圖;(

14、b)詳細的外延層結(jié)構(gòu);(c)典型的LED-I傾斜角度視圖SEM圖像,(d)典型的掃描電鏡圖像的形成后Cr / Au電極;(e)放大傾斜角度視圖SEM圖像拍攝的再生區(qū)后去除二氧化硅掩模層的LED-I;以及(f) LED-I的橫截面視圖SEM圖像。圖1(a)和1(b)分別展示了原理圖設(shè)備(標記為LED-I)和詳細的外延層結(jié)構(gòu)。對于比較分析，沒有OSFs的LED燈也就緒完畢如圖LED-II。對于LED-II的制備過程,晶圓部分被干蝕刻直到n-GaN層被曝光。干蝕刻過程不是必要的,因為只有當(dāng)二氧化硅掩模層被簡單的濕蝕刻法(HF溶液)，它導(dǎo)致n-GaN層被曝光。電流電壓(電流-電壓)在室溫下使用一個HP

15、4156C半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進行測量。3結(jié)果和討論圖1(b)展示了已經(jīng)有選擇地生長在一個n-GaN模板的LED傾斜視圖的典型的電鏡掃描照片。根據(jù)能量色散x射線譜分析(數(shù)據(jù)沒有顯示在這里,只有鎵可以觀察到表面的二氧化硅掩模層。這表明基于氮化鎵層不能被儲存在二氧化硅層。這個方法展示了氮化鎵膜的選擇性優(yōu)越性。圖1(c)展示了一個形成Cr / Au電極典型的掃描電鏡圖像的LED-I。圖1(d)和1(e)分別展示了放大的傾斜角度和橫斷面視圖的SEM圖像。這些都來自LED-I去除二氧化硅掩模層后的再生區(qū)。外圍的LED-I的外圍包括幾個斜面。包含1011 面 9,10 。再生GaN側(cè)壁面的角度測量大概是62度

16、傾斜于c表面。這些斜面對平面的(0001)啟動了邊緣的二氧化硅和n-GaN層在再生過程。此外，與橫截面相比斜面的形成可以歸因于垂直方向0001更高的增長率9,10。根據(jù)前面提到的結(jié)論，可以預(yù)見這種OSF的LED比垂直斜面的LED-II具有更高的光子萃取效率。用一個積分球面來評估自然形成的OFS關(guān)于LED出光效率和裸芯片的光子輸出。這個設(shè)備制造過程以再生的臺面面積形成透明的接觸層的ITO表層的沉積為開始4,7，Cr / Au雙層金屬分別沉積在n + gan模板區(qū)域和ITO層形成陽極電極和n型歐姆接觸面(即陰極) 11 圖1(a) 和圖1(c)。用于本研究LED芯片的尺寸340 × 34

17、0 m2。圖2. LED-I典型的光輸出電流(電流)的特點與LED-II裸芯片形式;插圖顯示了典型的光束模式是從LED-I和LED-II。圖2展示了各自的典型的光輸出電流特征的LED-I和LED-II在裸芯片形式。當(dāng)一個20 mA直流時，所有的發(fā)光二極管發(fā)射波長約為460nm。設(shè)備的光輸出總量使用允許光通過的積分球來測量，用來收集LED從各個方向發(fā)射出來的光線。圖2的結(jié)果表明,通過利用可選擇的生長過程形成OSFs，LED-I的光輸出與LED-II同級相比明顯提高了21%。LED-I光輸出的增強可以歸因于減少了在活躍層光子被再吸收的的概率。這假設(shè)可以通過測量被研究的LED的光束軌跡得到間接支持。

18、正如圖2的插圖所示，在一個20 mA直流驅(qū)動電流驅(qū)動下的LED-I和LED-II典型的光束軌跡。這個圖清楚地表明,LED-I顯示一個更廣泛的光束軌跡由于這樣的事實,即光子從LED-I側(cè)壁面提取的百分比高于LED-II,這導(dǎo)致了前者有廣泛的光束軌跡。對于基于氮化鎵傳統(tǒng)LED，大部分的光線來自于一個各向同性源的GaN /空氣界面,包括四個側(cè)面和一個個表面,可以吸收全部內(nèi)反射或菲涅耳反射,少量的光透過GaN /空氣界面來到空氣中。光子從變形半導(dǎo)體表面發(fā)射出的逃逸概率高于由平滑半導(dǎo)體表面逃逸出的概率 1。理論上，藍色光撞擊在頂部GaN /空氣界面的臨界角(c)大約是23.5度。因此，一個生長在反射表面

19、和四個垂直側(cè)壁面的藍寶石LED-II可以導(dǎo)致當(dāng)光子的入射角小于c的時候陷阱內(nèi)的大部分光子的波導(dǎo)模式的。如果光子沒有被材料完全吸收，那么就只有很少的光子從側(cè)壁面來到LED外。然而,對于LED-I來說，斜面可以提供多個機會給光子逃離了LED側(cè)壁面。這使更多的光子從OSFs中被提取，以至于產(chǎn)生了一個更廣泛的光束軌跡。這意味著光子逃逸出LED之前在LED-I的平均路徑長度短于在LED-II的平均路徑長度。因此，在LED-I的光輸出強度可以歸因于內(nèi)部吸收損失的減少。圖3. LED-I 和 LED-II電流-電壓和動態(tài)電阻的特點.考慮到LED-I的電氣屬性，硅或氧原子能夠擴散到n-GaN模板層而導(dǎo)致在750到1000 °C 的條件下GaN層表面的再生過程有一個重參雜12,13。在這個研