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引言
? ? ? 氮化鎵發(fā)光二極管是異質(zhì)外延生長在不同的襯底上，如藍(lán)寶石和碳化硅，因?yàn)樯L塊狀氮化鎵有困難。藍(lán)寶石是最常用的襯底，因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)較低。然而，由于外延氮化鎵薄膜和藍(lán)寶石襯底之間晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的巨大失配，在平面藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵導(dǎo)致高密度的位錯(cuò)缺陷(10±10厘米)。
我們研究了氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)對(duì)性能增強(qiáng)的反應(yīng)機(jī)制，其生長在化學(xué)濕蝕刻圖案藍(lán)寶石襯底(CWE-PSS)上，該二極管在頂部表面具有v形坑特征。根據(jù)溫度依賴的光致發(fā)光(PL)測(cè)量和測(cè)量的外部量子效率，該結(jié)構(gòu)可以同時(shí)提高內(nèi)部量子效率和光提取效率。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? 藍(lán)寶石襯底上的蝕刻圖案是排列的六方孔陣列。在這里，我們使用硫酸和磷酸的混合溶液(HSO：HPO)在300℃的工作溫度下蝕刻藍(lán)寶石基底。CWE-PSS的制造細(xì)節(jié)可以在其他地方找到。圖1(a)中顯示了CWE-PSS的俯視圖掃描電鏡圖像。單個(gè)孔的直徑為3m，晶格常數(shù)為7m。蝕刻孔深度為0.5m，中心為三角形平面，被三個(gè)平面面包圍。然后在低壓金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積CWE-PSS上培養(yǎng)LED結(jié)構(gòu)。三甲基鎵(TMGa)、三甲基鈉(TMIn)和氨(NH)分別作為Ga、In、N前體，雙環(huán)戊二烯鎂(CpMg)和硅烷(SiH)作為p型和N型摻雜源。
? ? ? 本方法采用了兩種不同的p型氮化鎵包覆層生長溫度，1050℃和800℃。在氮化鎵層的低生長溫度下(即800℃)下，在LED表面的上表面可以看到大量的v形凹坑。在這些p型覆層的生長過程中，在不同的生長溫度下調(diào)整CpMg流量，使所有樣品中相同的Mg摻雜濃度約為3×1017cm-3。發(fā)光二極管是傳統(tǒng)的發(fā)光二極管，其生長在平面藍(lán)寶石襯底上，并具有在1050℃生長的p型氮化鎵的平坦表面形態(tài)。對(duì)于發(fā)光二極管，鎳-金透明接觸層被蒸發(fā)到p型氮化鎵蓋層上以用作透明接觸層，然后厚的金層被沉積到部分p型氮化鎵蓋層上以用作p電極。鈦-鋁-鉑-金觸點(diǎn)被沉積在暴露的氮-氮化鎵層上作為氮電極。LED-B生長在平面藍(lán)寶石襯底上，但具有在800℃生長的p型GaN的粗糙表面形態(tài)。LED-C生長在CWE-PSS上，并且還具有在800℃生長的p型GaN的粗糙表面形態(tài)。圖1(b)–(d)分別示出了LED-A、LED-B和LED-C的最終結(jié)構(gòu)的示意圖。
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圖1 CWE-PSS的俯視掃描電鏡圖像
總結(jié)和討論
? ? ? 形凹坑粗糙表面：用掃描電鏡研究了生長溫度對(duì)p型氮化鎵表面形貌的影響。圖2顯示了LED-A、LED-B和LED-C的表面形貌的SEM圖像，在圖2(a)中，可以清楚地看到LED-A的表面相當(dāng)平坦，并且包含非常少的六邊形凹坑。這些六邊形凹坑起源于量子阱中所謂的V形凹坑。由InGaN和GaN層之間的晶格失配引起的應(yīng)變以及由于MQWs中相對(duì)低的生長溫度(700℃)引起的表面遷移率的降低是MQWs中V形凹坑形成的驅(qū)動(dòng)力。多量子阱中V形坑的形成主要是為了釋放TD缺陷周圍InGaN/GaN材料異質(zhì)外延誘導(dǎo)的高應(yīng)變能。因此，每個(gè)V形坑的底部總是與一個(gè)TD缺陷相連，并且MQWs中V形坑的密度幾乎與TD缺陷的密度相等。然而，隨后在1050℃生長的p型氮化鎵完全填滿了多量子阱中的V型坑。因?yàn)樵谌绱烁叩纳L溫度下提供了足夠的表面遷移率。因此，在圖2(a)中觀察到平坦的p型氮化鎵表面。對(duì)于發(fā)光二極管B和發(fā)光二極管C，在p型氮化鎵的生長過程中，我們通過將生長溫度降低到800℃來降低遷移的鎵原子的表面遷移率。由于鎵原子遷移到適當(dāng)位置的能量不足，氮化鎵的橫向生長速率將小于氮化鎵的垂直生長速率，并且在p型氮化鎵中與在多量子阱中一樣，基本上形成了V形凹坑輪廓。
? ? ? 內(nèi)部量子效率：為了闡明CWE-PSS增強(qiáng)的起源，我們用透射電鏡研究了生長在CWE-PSS (LED-C)和平面藍(lán)寶石襯底(LED-B)上的發(fā)光二極管的晶體質(zhì)量。對(duì)于生長在平面藍(lán)寶石襯底(LED-B)上的LED，GaN/ sap- phire界面和MQWs區(qū)域的截面TEM圖像分別顯示在圖5(a)和(B)中。可以看到位錯(cuò)缺陷線束從氮化鎵/藍(lán)寶石界面垂直輻射到多量子阱區(qū)。如圖5(c)和(d)所示，在CWE-PSS (LED-C)上的薄膜的結(jié)晶學(xué)是完全不同的，圖5(C)和(d)分別示出了在CWE-PSS (LED-C)上生長的LED的GaN/藍(lán)寶石界面和MQWs區(qū)域的橫截面TEM圖像。如圖5(c)所示，溝槽區(qū)內(nèi)存在大量堆垛層錯(cuò)。堆垛層錯(cuò)的形成可能是由于在GaN緩沖層的初始生長過程中從脊區(qū)開始覆蓋溝槽區(qū)的同質(zhì)外延橫向生長，導(dǎo)致溝槽區(qū)上的高晶體質(zhì)量。這些堆垛層錯(cuò)與垂直穿透位錯(cuò)相互作用，使它們水平彎曲。因此，更少的穿透位錯(cuò)可以穿透到有源區(qū)，這意味著在CWE-PSS上生長的發(fā)光二極管-碳的高晶體質(zhì)量。
? ? ? 光提取效率：發(fā)光二極管-A、發(fā)光二極管-B和發(fā)光二極管-C的集成輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線如圖10所示。在我們所有的測(cè)量條件下，生長在CWE-PSS上并且頂面有V形凹坑的發(fā)光二極管-C產(chǎn)生的光輸出比發(fā)光二極管-A和發(fā)光二極管-B高得多。注入電流為20 mA時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些發(fā)光二極管的電致發(fā)光峰都出現(xiàn)在465納米左右，因?yàn)槭褂昧送耆嗤腗QW結(jié)構(gòu)。
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總結(jié)
? ? ? 我們研究了生長在V型CWE-珀塞爾晶體上的氮化鎵基發(fā)光二極管的晶體學(xué)和光學(xué)特性和頂面上的凹坑特征。由于在GaN初始橫向生長過程中CWE-PSS誘導(dǎo)的堆垛層錯(cuò)有效地阻擋了位錯(cuò)，因此發(fā)現(xiàn)穿透位錯(cuò)的密度從1.28±10厘米顯著降低到3.62±10厘米。因此，獲得了63%的高內(nèi)部量子效率，這通過隨激發(fā)激光功率變化的溫度相關(guān)的光致發(fā)光強(qiáng)度來測(cè)量。通過使用拋物面自相關(guān)函數(shù)，由V形凹坑組成的粗糙化表面可以被認(rèn)為是強(qiáng)漫射體，這導(dǎo)致光提取效率提高了20%。此外，由于CWE-PSS能夠有效地將引導(dǎo)光衍射到發(fā)光二極管芯片的逃逸錐中，光提取效率額外提高了7.8%。所有上述有利機(jī)制的組合提供了外部量子效率的45%的顯著提高，并且證明了與頂面上的V形凹坑組合的CWE-PSS是下一代照明源的有前途的結(jié)構(gòu)。