通过化学湿法刻蚀工艺制备氮化镓基发光二极管

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。

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。

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。

　　审核编辑：汤梓红