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摘要
? ? ? 本文報道了用磷酸或氫氧化鉀溶液對鎵面和氮面氮化鎵進行化學腐蝕的特性。由{10-1-1}面組成的六邊形金字塔在氫氧化鉀(2M，100℃)蝕刻后出現(xiàn)在N面上。相比之下，使用H3PO4 (85WT%，100℃)溶液中，GaN的氮表面呈現(xiàn)十二邊形金字塔。當分別使用H3PO4或氫氧化鉀溶液時，十二邊形和六邊形金字塔重復出現(xiàn)在蝕刻表面上。低濃度的H3PO4 (H3PO4:去離子水= 1:32，1:64)產(chǎn)生了十二邊形和六邊形金字塔共存的粗糙表面。與未蝕刻表面相比，由于多次散射事件，蝕刻表面的光致發(fā)光強度顯著增加。因此，本研究中開發(fā)的蝕刻技術被證明可以提高發(fā)光二極管的光提取效率，避免等離子體蝕刻方法對氮化鎵的破壞。
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介紹
? ? ? 由于根據(jù)Snell定律GaN (n = 2.5)和空氣(n = 1)之間的折射率差異，GaN LEDs具有非常小的臨界角(~23.6 ℃) 當GaN和空氣之間的界面非常平坦和寬時，據(jù)報道只有4%的產(chǎn)生的光子能夠逸出表面已經(jīng)開發(fā)了許多方法來解決這個問題， 包括使用光子晶體結構、漸變折射率層和圖案化藍寶石襯底。在這些方法中，濕化學蝕刻通常用于第三族氮化物材料系統(tǒng)的表面紋理化，因為它具有設備設置簡單、沒有晶格損傷、可擴展性和良好的選擇性等特點.光增強化學(PEC)濕蝕刻已在室溫下得到證明，但它在可擴展性方面存在問題。此外， PEC蝕刻是各向異性和帶隙選擇性蝕刻的有效技術。目前采用各種方法通過濕法蝕刻進行表面紋理化，以提高第三族氮化物基發(fā)光二極管的光提取效率。
? ? ? 本文研究了磷酸和氫氧化鉀溶液在鎵和氮面氮化鎵中的不同腐蝕行為和機理。
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實驗
? ? ? 在我們的實驗中使用了商用鎵面和氮面氮化鎵樣品。包含在聚四氟乙烯支架中的氮化鎵樣品在H3PO4溶液中蝕刻(適馬·奧爾德里奇，85 wt。%在H2O)。H3PO4蝕刻樣品在2M氫氧化鉀溶液中蝕刻，然后在去離子水中漂洗。然后在氮氣流下干燥樣品。在H3PO4溶液中以不同的濃度(H3PO4 (85 wt . %):去離子水= 1:0、1:16、1:32和1:64)來確定表面形態(tài)和溶液濃度之間的關系。溶液的溫度保持在100℃，攪拌速度在所有情況下都是200轉(zhuǎn)/分。蝕刻持續(xù)時間為20分鐘。用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitach S-4700)對表面形貌進行了表征。
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結果和討論
? ? ? 為了確定表面形態(tài)和蝕刻劑類型之間的關系，使用H3PO4或KOH溶液蝕刻相同的氮化鎵樣品。在濕法蝕刻之前，N面氮化鎵已經(jīng)呈現(xiàn)出粗糙的表面(圖。1a)。眾所周知，氮面氮化鎵的表面比鎵面氮化鎵的表面粗糙。樣品經(jīng)磷酸(85 wt。%)在100℃下保持20分鐘。1b . H3PO4刻蝕后，N面氮化鎵表面形成十二角金字塔，與之前的報道一致。圖1b和圖1b。1c中，可以清楚地看到，KOH刻蝕使表面形貌從十二邊形金字塔變?yōu)榱呅谓鹱炙?。?jù)報道，氮面氮化鎵比鎵面氮化鎵更具化學活性，在氫氧化鉀化學蝕刻后暴露的六邊形金字塔由六個{10-1-1}面組成。鎵面氮化鎵顯示出化學穩(wěn)定性，在氫氧化鉀溶液中沒有觀察到明顯的蝕刻。表面上懸掛鍵的數(shù)量被認為控制鎵面和氮面氮化鎵的蝕刻行為。在鎵面上，在通過OH離子去除第一鎵層之后，存在于表面上的每個氮原子具有三個懸掛鍵。因此，由于三個懸掛鍵和OH離子之間的排斥力，濕法蝕刻不能繼續(xù)。因此，鎵面氮化鎵的表面形態(tài)在氫氧化鉀濕蝕刻后保持平坦(穩(wěn)定)，這與氮面氮化鎵不同。
? ? ? 圖3顯示，濕法蝕刻后，光致發(fā)光強度顯著增加?；谶@些結果，我們得出結論，化學濕法蝕刻將表面變成了一種允許光子容易逃逸的結構。此外，我們沒有觀察到氮化鎵表面金字塔的不同(十二邊形和六邊形)特征之間的光致發(fā)光強度有任何差異。
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圖1?N面GaN的SEM圖像(a)刻蝕前，(b)h3po 4刻蝕后，(c)KOH刻蝕后，(d)h3po 4刻蝕后，(e)KOH刻蝕后
結論
? ? ? 我們研究了Ga面和n面氮化鎵在熱磷酸或氫氧化鉀溶液中的蝕刻行為。在六角形和十二角形金字塔之間的表面形態(tài)的變化取決于（氫氧化鉀或磷酸）蝕刻劑和濃度。金字塔形狀的不同分布也取決于磷酸的濃度。在化學蝕刻后，n面氮化鎵上都存在六角形和十二角形金字塔磷酸濃度較低。這些通過酸或堿溶液的化學蝕刻方法將有助于提高氮化鎵基led的光提取效率。
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