侧壁取向在GaN基紫外发光二极管湿法化学蚀刻中的作用

我们证明了四甲基氢氧化铵溶液对不同取向的芯片侧壁具有不同的刻蚀能力，因为芯片侧壁的取向决定了氮化镓(GaN)暴露的晶面，这些晶面对四甲基氢氧化铵溶液具有不同的化学稳定性。TMAH刻蚀处理后，在暴露m面氮化镓的侧壁上观察到三棱镜。对于所研究的具有正交排列的两种类型的发光二极管，与具有沿着方向取向的较大侧壁的发光二极管相比，具有沿着方向取向的较大侧壁的发光二极管在经过TMAH蚀刻处理之后，在光输出功率方面表现出额外的10%的提高。

介绍

本文旨在探讨侧壁取向对氮化镓基发光二极管性能的影响。采用TMAH蚀刻工艺代替KOH蚀刻，因为它可以提供更化学稳定的蚀刻工艺.我们首先研究了不同TMAH刻蚀时间下氮化镓外延层的表面形貌。根据不同取向侧壁的表面形貌，对m面刻面进行了选择性刻蚀。基于选择性刻蚀现象，我们制作了两种长方体发光二极管，一种是两个较大的侧壁平行于蓝宝石a面，另一种是两个较大的侧壁垂直于蓝宝石a面，以证明侧壁取向对于湿法刻蚀发光二极管的重要性。

材料和方法

采用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石衬底的c面上生长氮化镓基发光二极管。外延结构由20 nm溅射AlN成核层、2.5m厚未掺杂GaN缓冲层、2m厚掺硅n-GaN层、12对In0.02Ga0.98N (2.5 nm)/GaN (3 nm)超晶格层、10对In0.07Ga0.93N (3 nm)/GaN (12 nm)多量子阱(MQW)有源层、20 nm厚p-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层组成发光二极管晶片随后在N2气氛下在750℃退火，以激活磷氮化镓中的镁受体。

利用基于三氯化硼/氯气混合气体的电感耦合等离子体刻蚀氮化镓外延层，形成台面结构，暴露出氮化镓层。然后将样品浸入85℃的15wt%三甲基氢氧化铵溶液中，在等离子体蚀刻后进行基于三甲基氢氧化铵的结晶蚀刻过程。使用电子束蒸发器在p-GaN上沉积230nm厚的氧化铟锡(ITO)作为p型欧姆接触，随后在N2环境条件下在550℃下进行热退火。接下来，铬/铂/金(10纳米/25纳米/1.2米)金属沉积在氧化铟锡和氮氮化镓层上，形成磷和氮电极；最后，将紫外发光二极管晶片减薄至约130米，切割成尺寸为712米× 254米的芯片。紫外发光二极管的峰值波长为395纳米。使用经过校准的积分球和半导体参数分析仪(美国加利福尼亚州圣罗莎的Keysight B2901A)测量了紫外发光二极管的光输出功率-电流-电压特性。

图1 (一)不同侧壁取向的ⅰ型和ⅱ型发光二极管示意图。

(二)制作的发光二极管芯片的扫描电镜图像。

结果和讨论

用TESCAN MIRA 3 LMH场发射扫描电子显微镜(扫描电镜，TESCAN，研究了不同TMAH刻蚀时间下外延层的形貌。如图所示2a .选择标记的角点来显示TMAH蚀刻后的形貌变化，因为角点结构呈现出具有三个垂直侧壁的更多形貌信息。在所研究的TMAH蚀刻时间内，沿方向(暴露的m平面)在侧壁上观察到三棱柱结构，而在p-GaN的顶面(暴露的+ c平面)和沿方向(暴露的a平面)的侧壁上没有出现这种结构。这一现象表明TMAH溶液对暴露的晶面具有不同的刻蚀能力。TMAH腐蚀始于氢氧离子与带正电荷的镓悬空键的连接，而相邻的带负电荷的氮悬空键会阻止氢氧离子接近镓原子。

因此，每个晶面上N个悬空键的密度决定了TMAH溶液的刻蚀能力。如前所述，N个悬空键的密度可以排序如下:+c面> a面> m面.N个悬空键的计算密度表明，在列出的三个晶面中，TMAH对m面的刻蚀能力最大，这可能解释了为什么TMAH刻蚀没有发生在p-GaN的顶面和a面侧壁上。m面侧壁上三棱镜的尺寸和密度随TMAH刻蚀时间的不同而不同。如图所示，在1分钟的短TMAH蚀刻时间下，在n-GaN的整个m面侧壁上形成微型棱镜2c.增加TMAH蚀刻时间导致微型棱镜聚结产生更大的三棱镜(图2d–f)。然而，当TMAH蚀刻时间超过7.5分钟时，三棱镜的密度随着TMAH蚀刻时间的增加而降低(图2g，j)。40分钟的TMAH蚀刻处理最终导致三棱柱消失(图2k)。有人提出，对于给定的蚀刻剂浓度和温度，三角棱镜的密度与蚀刻时间成一级反比，因为湿化学蚀刻被证明是一级反应，这意味着蚀刻速率也与棱镜的密度成反比。

图2 (a)第二类发光二极管芯片的扫描电镜图像，选择标记的角来显示TMAH蚀刻后的形态变化。(b–k)不同刻蚀时间的标记角扫描电镜图像:(b)0min；1分钟；2.5分钟；5分钟；7.5分钟；10分钟；15分钟；20分钟；30分钟；和45分钟

如图所示，蚀刻时间为2.5分钟的ⅰ型发光二极管的扫描电镜图像进一步证明了选择性蚀刻现象4。我们选择具有不同取向的侧壁来说明m平面侧壁的选择性蚀刻。数字4a是六方纤锌矿结构的GaN晶胞投影，因为我们主要聚焦，所以只画出了m面和a面。

图6 (a)有和没有TMAH蚀刻处理的长方体几何形状发光二极管的L-I-V特性。(b)有和没有三甲基甲烷蚀刻处理的长方体形状发光二极管的远场发射模式。

结果

综上所述，我们研究了紫外发光二极管的TMAH刻蚀工艺。TMAH选择性蚀刻暴露的氮化镓m面侧壁，在侧壁形成三棱镜。通过改变芯片侧壁的取向，可以改变暴露的晶面，因此，可以调整由TMAH蚀刻产生的纹理化侧壁。对于我们在实验中研究的长方体形状的发光二极管芯片，具有较大m面侧壁的发光二极管芯片在TMAH蚀刻后给出了最佳的光输出功率。我们的工作揭示了湿法化学刻蚀发光二极管中侧壁取向的重要性，这对高性能发光二极管的大规模生产具有重要意义。