扫码添加微信，获取更多半导体相关资料
引言
最近，氮化镓基蓝色、绿色和紫外线发光二极管取得了巨大进展。这些氮化物基发光二极管也有可能用于固态照明。然而，为了实现固态照明，需要进一步提高这些发光二极管的输出效率。众所周知，氮化镓基发光二极管的光提取效率主要受到氮化镓薄膜和周围空气折射率差异大的限制。光子从氮化镓薄膜中逃逸的临界角由斯内尔定律决定。角度对于发光二极管的光提取效率至关重要。
本文通过化学湿法刻蚀工艺制备了背面粗糙的氮化镓基发光二极管，提高了光提取效率。稳定的晶体蚀刻面形成为氮化镓面。当近紫外和蓝色发光二极管以20 mA的正向电流工作时，发光二极管的输出功率从13.2和24.0毫瓦。不同的增强比归因于湿法刻蚀后N面氮化镓衬底上的六角锥导致的透射率随波长的变化。
实验
本方法中使用的n-UV和蓝色InGaN/GaN发光二极管都是在SR-4000大气压金属-有机化学气相沉积系统中生长在c面(0001) 2英寸GaN衬底上的。我们制造了氮化镓衬底。发光二极管结构由4米厚的掺硅氮化镓氮包层、多量子阱(MQW)有源层、20纳米厚的p型掺镁铝镓氮层和200纳米厚的掺镁氮化镓层组成。MQW有源区由5个周期的2.4纳米厚的未掺杂铟镓氮阱层和9纳米厚的未掺杂氮化镓阻挡层组成。在MQW生长过程中，通过调节生长温度来调节发光二极管的峰值波长。这些紫外和蓝色发光二极管的峰值波长分别为405和450纳米。为了制造发光二极管，氧化铟锡首先作为透明接触层沉积在这些发光二极管上。然后，我们部分蚀刻样品表面，直到n型氮化镓层暴露出来。我们随后将铬/金沉积在暴露的n型和p型氮化镓层上，作为n型和p型电极。在芯片工艺之后，外延晶片然后被研磨到大约110 μm。我们随后将这些样品放入热的2m氢氧化钾溶液中。
在湿法蚀刻过程中，我们使用80℃的蚀刻时间(10分钟)。然后我们使用划线和断裂来完成发光二极管的制造。发光二极管结构和工艺步骤的示意图如图1所示。通过这种工艺流程制造的发光二极管器件，在没有和有化学湿法蚀刻工艺的情况下，分别被定义为标准发光二极管和粗糙背面发光二极管。n-UV和蓝色发光二极管分别定义为发光二极管一(包括ST-LED一和RB-LED一)和发光二极管二(包括ST-LED二和RB-LED二)。通过扫描电子显微镜观察这些发光二极管结构的几何形态。这些芯片是正面安装在银TO-46和环氧树脂模制。我们使用HP4156半导体参数分析仪测量了它们的室温电流-电压特性。这些制造的发光二极管的光输出功率-电流(–)特性也使用带有集成球体检测器的模制发光二极管进行测量。为了最小化加热效应，注入电流是具有1%占空比和10千赫频率的脉冲电流源。
结果和讨论
为了了解RB-LED的湿蚀刻过程，我们还制备了具有不同湿蚀刻时间的氮化镓衬底样品。这些样品也被定位到大约1.10米。图2显示蚀刻前(a)样品I的30张瓷砖和(b)样品III、(c)5分钟：样品III，(d)10分钟：样品IV、(e)样品V30分钟：样品V和(f)60分钟）SEM图像。结果发现，用n面氮化镓的化学蚀刻溶液可以观察到锥体结构。结果表明，蚀刻时间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。这些结果总结在表1。
表1 不同氢氧化钾蚀刻时间下垂直深度和密度的金字塔结果
因为湿蚀刻过程是通过带负电荷的羟基离子进行的，所以镓面氮化镓比氮面氮化镓更稳定，因为镓极氮化镓表面有带负电荷的三悬挂键。在这项研究中，N面氮化镓暴露在氮化镓衬底的底部。因此，在芯片的底部会形成六角锥。通过暴露更多的OH离子来增加蚀刻时间，蚀刻过程不断地发生反应。还发现蚀刻过程在氮化镓层的六个面结束。
为了理解表面纹理如何影响光提取效率，进行了透射测量。图3示出了在具有不同蚀刻时间的化学湿法蚀刻工艺之后，来自镓面氮化镓衬底的透射光谱作为波长的函数。样品一、二、四和五的这些测量透射率样品与扫描电镜测量的相同，如图3所示。透射强度是相对值。图3(a)是没有化学湿蚀刻工艺的氮化镓衬底的透射率。发现405纳米波长的透射率低于450纳米波长。从450纳米到405纳米，透射率估计降低了18.3%，因为405纳米波长接近氮化镓带隙，氮化镓带隙可能比450纳米波长吸收更大。图3(b)示出了具有不同化学湿法蚀刻时间的氮化镓衬底的透射率。值得注意的是，透射率将强烈依赖于405纳米波长总是大于450纳米波长的透射率。
图3 镓面氮化镓的透射光谱与波长的关系(a)没有化学湿法蚀刻工艺，以及(b)具有各种化学湿法蚀刻时间
化学湿法刻蚀后，样品二、四、五的405纳米波长的透射值分别比450纳米波长提高了9.1、6.8和6.3%。随着湿法腐蚀时间的增加，增强率降低。换句话说，六边形金字塔较小的垂直长度和较高的密度有利于405 nm波长处的透射率。因此，我们使用化学湿法蚀刻工艺来补偿18.3%的透射率损失。相反，可以更好地提高405纳米波长的透射值。
图4(a)显示了这些制造的具有20 mA电流注入的发光二极管的RT电致发光(EL)光谱。结果发现，这两种发光二极管的发光峰分别出现在405纳米和450纳米。这可以归因于使用与紫外和蓝色发光二极管完全相同的外延层和相同的MQW结构。还发现铷-发光二极管的电致发光强度大于锶-发光二极管。这可以归因于铷-发光二极管更好的光提取效率。图4(b)显示了这些制造的发光二极管的特性。结果发现，这些发光二极管的20 mA正向电压分别为3.14、3.16、3.27和3.28伏。从铷-发光二极管观察到的稍大的正向电压可能与铷湿法腐蚀引起的阻尼有关。此外，在图4(b)中观察到RB-LED I和RB-LED II的不同增强比率。这是由于化学湿法刻蚀后六角锥的透光率随波长的变化不同，使得RB-LEDⅰ的光提取效率比RB-LEDⅱ有所提高。对于RB结构，RB-LED I的输出功率比RB-LED II大6.7%。
总结
综上所述，我们提出并制备了具有粗糙背面氮化镓衬底的氮化物基led。通过化学湿蚀刻过程，可以在n面形氮化镓衬底中形成六角形金字塔。结果发现，蚀刻时间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。与ST-LED相比，我们发现RB-LEDI和RB-LEDII可以将20mA的输出功率分别提高94%和29%。此外，RB-LEDI的输出功率比RB-LEDII大6.7%。与蓝色发光二极管相比，n-UV发光二极管的较大改进归因于化学湿法蚀刻工艺后六边形金字塔作为波长的函数的不同透射率。