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引言
基于氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體已經(jīng)被廣泛研究，因為它們在光電應(yīng)用中具有潛力，例如在藍色和紫外波長區(qū)域工作的發(fā)光二極管。為了提高氮化鎵基發(fā)光二極管的可靠性，研究了在乙二醇溶液中，用氫氧化鉀+氫氧化鈉對氮化鎵基發(fā)光二極管中的p-氮化鎵表面進行選擇性濕法化學(xué)刻蝕。與未蝕刻的發(fā)光二極管相比，蝕刻的發(fā)光二極管在正向和反向偏壓下的泄漏電流要低得多。蝕刻的發(fā)光二極管也顯示出改善的光提取效率，并且在300毫安的高注入電流下光輸出功率的退化速率比未蝕刻的發(fā)光二極管慢。這些結(jié)果可歸因于表面缺陷的減少、空穴濃度的增加和蝕刻的p-GaN的表面粗糙度的增加。
在這項工作中，我們研究了蝕刻發(fā)光二極管在高注入電流下的可靠性。為了檢查進入由表面缺陷形成的陷阱中心的漏電流，在發(fā)光二極管上采用了溫度相關(guān)的電流電壓測量。與未蝕刻的發(fā)光二極管相比，選擇性蝕刻的發(fā)光二極管的漏電流顯著降低。
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實驗
使用金屬-有機化學(xué)氣相沉積法在c面藍寶石襯底上生長了InGaN-GaN多量子阱(MQW)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)由硅摻雜的氮氮化鎵層(2米)、五周期的銦鎵氮(3納米)/氮化鎵(7納米)MQW有源層和鎂摻雜的磷氮化鎵層(0.2米)組成。p-GaN層的霍爾效應(yīng)測量顯示空穴濃度為厘米。樣品用三氯乙烯、丙酮、甲醇和去離子水清洗。然后將發(fā)光二極管樣品在乙二醇(KNE)中的氫氧化鉀(5M)和氫氧化鈉(5M)的蝕刻溶液中在165℃的蝕刻溫度下蝕刻30分鐘(以下稱為KNE蝕刻發(fā)光二極管)。頂部發(fā)光二極管的面積為
300 μm× 300 μm。通過以下工藝制造。發(fā)光二極管的頂部被部分刻蝕，直到暴露出氮化鎵層。在氮化鎵層上沉積了一層鈦鋁(30/80納米)。在p-GaN層上分別沉積了5/5納米和30/80納米的鎳-金薄膜作為電流擴散層和p電極。除了電流擴散層之外，所有歐姆金屬都在氮氣環(huán)境中于500℃退火30 s。電流擴散層在空氣環(huán)境中于500℃退火1分鐘。使用325納米線的氦-鎘激光器作為激發(fā)源，在室溫下測量光致發(fā)光。在20℃–150℃的溫度范圍內(nèi)獲得溫度相關(guān)曲線。通過在室溫下向發(fā)光二極管注入300毫安的電流來測量時間相關(guān)光輸出功率。
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結(jié)果和討論
圖1a表明，KNE溶液選擇性蝕刻后的p-GaN的PL強度較未蝕刻的p-GaN的PL強度降低。在2.9eV(420nm)處的PL峰通常在摻雜Mg的p-GaN層上觀察到，峰值強度的降低與深度缺陷(p-GaN中的mg復(fù)合物)數(shù)量的減少有關(guān)。
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圖1 (a)非蝕刻（閉圓）和蝕刻（蝕刻（開圓）(b)（下）表面Ga2pCaN核心級XPS光譜。(c)使用KNE溶液蝕刻的頂部p-GaN表面的掃描電子顯微鏡圖像
結(jié)果表明，koh基化學(xué)處理可能會形成類似受體的Ga空位，導(dǎo)致空穴濃度的增加，并消除表面氧化鎵和吸附的碳/碳?xì)浠衔?。圖1(b)分別顯示了未蝕刻和KNE蝕刻led的Gax射線光發(fā)射光譜(XPS)峰。用KNE溶液蝕刻的p-GaN的Ga核心水平峰接近價帶邊緣0.7eV，表明p-GaN表面區(qū)域附近的空穴濃度增加。圖1(c)顯示了p-GaN表面的場效應(yīng)掃描電子顯微鏡圖像，用KNE溶液蝕刻165c30min。六角蝕刻坑直徑為1.0米，深度為150納米，通過原子力顯微鏡觀察到蝕刻p-GaN，如圖1(c)所示。
圖2顯示了KNE蝕刻和非蝕刻led的光輸出功率作為正向電流的函數(shù)。由于焦耳加熱和電流擁擠效應(yīng)，在藍寶石基底上生長的led的光輸出功率隨著輸入電流的增加而呈鐘形。圖2表明，來自KNE蝕刻LED的光輸出功率的臨界電流大于未蝕刻LED。這表明KNE蝕刻過程減少了電流擁擠，抑制了焦耳加熱。由于KNE蝕刻LED的p-蝕刻LEN上的光提取效率，KNE蝕刻LED與非蝕刻LED的光輸出功率可以進一步提高。
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圖2 KNE蝕刻和非蝕刻LED的光輸出功率作為注入電流的函數(shù)
圖3顯示了KNE蝕刻和非蝕刻led的光輸出功率，作為在室溫下在300mA的高注入電流下工作的光輸出功率。與未蝕刻LED相比，KNE蝕刻LED的光輸出功率下降緩慢，說明KNE蝕刻LED由于p-GaN層表面缺陷數(shù)量減少，更可靠，壽命更長。
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圖3 在注入電流為300mA下的KNE蝕刻和非蝕刻LED的隨時變化的光功率
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總結(jié)
為了提高發(fā)光二極管的性能和可靠性，使用KNE溶液有選擇地蝕刻InGaN-GaN MQW發(fā)光二極管上的p-GaN層。在20蝕刻-150C溫度范圍內(nèi)，KNE蝕刻LED的正向和反向泄漏電流與非蝕刻LED的正向和反向泄漏電流相比降低。在300mA的高注入電流下，蝕刻LED的降解被極大地抑制。KNE-蝕刻LED的光輸出功率的提高可以歸因于p-GaN中缺陷數(shù)量的減少和由于p-GaN的表面紋理而導(dǎo)致的光提取效率的提高。