选择性湿蚀刻法提高GaN基发光二极管的可靠性

引言

基于氮化镓(GaN)的半导体已经被广泛研究，因为它们在光电应用中具有潜力，例如在蓝色和紫外波长区域工作的发光二极管。为了提高氮化镓基发光二极管的可靠性，研究了在乙二醇溶液中，用氢氧化钾+氢氧化钠对氮化镓基发光二极管中的p-氮化镓表面进行选择性湿法化学刻蚀。与未蚀刻的发光二极管相比，蚀刻的发光二极管在正向和反向偏压下的泄漏电流要低得多。蚀刻的发光二极管也显示出改善的光提取效率，并且在300毫安的高注入电流下光输出功率的退化速率比未蚀刻的发光二极管慢。这些结果可归因于表面缺陷的减少、空穴浓度的增加和蚀刻的p-GaN的表面粗糙度的增加。

在这项工作中，我们研究了蚀刻发光二极管在高注入电流下的可靠性。为了检查进入由表面缺陷形成的陷阱中心的漏电流，在发光二极管上采用了温度相关的电流电压测量。与未蚀刻的发光二极管相比，选择性蚀刻的发光二极管的漏电流显著降低。

实验

使用金属-有机化学气相沉积法在c面蓝宝石衬底上生长了InGaN-GaN多量子阱(MQW)发光二极管。发光二极管结构由硅掺杂的氮氮化镓层(2米)、五周期的铟镓氮(3纳米)/氮化镓(7纳米)MQW有源层和镁掺杂的磷氮化镓层(0.2米)组成。p-GaN层的霍尔效应测量显示空穴浓度为厘米。样品用三氯乙烯、丙酮、甲醇和去离子水清洗。然后将发光二极管样品在乙二醇(KNE)中的氢氧化钾(5M)和氢氧化钠(5M)的蚀刻溶液中在165℃的蚀刻温度下蚀刻30分钟(以下称为KNE蚀刻发光二极管)。顶部发光二极管的面积为

300 μm× 300 μm。通过以下工艺制造。发光二极管的顶部被部分刻蚀，直到暴露出氮化镓层。在氮化镓层上沉积了一层钛铝(30/80纳米)。在p-GaN层上分别沉积了5/5纳米和30/80纳米的镍-金薄膜作为电流扩散层和p电极。除了电流扩散层之外，所有欧姆金属都在氮气环境中于500℃退火30 s。电流扩散层在空气环境中于500℃退火1分钟。使用325纳米线的氦-镉激光器作为激发源，在室温下测量光致发光。在20℃–150℃的温度范围内获得温度相关曲线。通过在室温下向发光二极管注入300毫安的电流来测量时间相关光输出功率。

结果和讨论

图1a表明，KNE溶液选择性蚀刻后的p-GaN的PL强度较未蚀刻的p-GaN的PL强度降低。在2.9eV(420nm)处的PL峰通常在掺杂Mg的p-GaN层上观察到，峰值强度的降低与深度缺陷(p-GaN中的mg复合物)数量的减少有关。

图1 (a)非蚀刻（闭圆）和蚀刻（蚀刻（开圆）(b)（下）表面Ga2pCaN核心级XPS光谱。(c)使用KNE溶液蚀刻的顶部p-GaN表面的扫描电子显微镜图像

结果表明，koh基化学处理可能会形成类似受体的Ga空位，导致空穴浓度的增加，并消除表面氧化镓和吸附的碳/碳氢化合物。图1(b)分别显示了未蚀刻和KNE蚀刻led的Gax射线光发射光谱(XPS)峰。用KNE溶液蚀刻的p-GaN的Ga核心水平峰接近价带边缘0.7eV，表明p-GaN表面区域附近的空穴浓度增加。图1(c)显示了p-GaN表面的场效应扫描电子显微镜图像，用KNE溶液蚀刻165c30min。六角蚀刻坑直径为1.0米，深度为150纳米，通过原子力显微镜观察到蚀刻p-GaN，如图1(c)所示。

图2显示了KNE蚀刻和非蚀刻led的光输出功率作为正向电流的函数。由于焦耳加热和电流拥挤效应，在蓝宝石基底上生长的led的光输出功率随着输入电流的增加而呈钟形。图2表明，来自KNE蚀刻LED的光输出功率的临界电流大于未蚀刻LED。这表明KNE蚀刻过程减少了电流拥挤，抑制了焦耳加热。由于KNE蚀刻LED的p-蚀刻LEN上的光提取效率，KNE蚀刻LED与非蚀刻LED的光输出功率可以进一步提高。

图2 KNE蚀刻和非蚀刻LED的光输出功率作为注入电流的函数

图3显示了KNE蚀刻和非蚀刻led的光输出功率，作为在室温下在300mA的高注入电流下工作的光输出功率。与未蚀刻LED相比，KNE蚀刻LED的光输出功率下降缓慢，说明KNE蚀刻LED由于p-GaN层表面缺陷数量减少，更可靠，寿命更长。

图3 在注入电流为300mA下的KNE蚀刻和非蚀刻LED的随时变化的光功率

总结

为了提高发光二极管的性能和可靠性，使用KNE溶液有选择地蚀刻InGaN-GaN MQW发光二极管上的p-GaN层。在20蚀刻-150C温度范围内，KNE蚀刻LED的正向和反向泄漏电流与非蚀刻LED的正向和反向泄漏电流相比降低。在300mA的高注入电流下，蚀刻LED的降解被极大地抑制。KNE-蚀刻LED的光输出功率的提高可以归因于p-GaN中缺陷数量的减少和由于p-GaN的表面纹理而导致的光提取效率的提高。