由二氧化硅图案选择性生长GaN薄膜的斜侧壁方面的InGaN发光二极管.doc

选择性生长GaN薄膜的二氧化硅斜侧壁InGaN发光二极管

Jinn-Kong Sheu,1,* Kuo-Hua Chang,1 Shang-Ju Tu,1 Ming-Lun Lee,1,2 Chih-Ciao Yang,1 Che-Kang Hsu,1 and Wei-Chih Lai1
1光电科学与工程学院,先进的光电技术中心和中心为微/纳米科学与技术,国家成功大学,70101,台湾台南市
2部门的光电工程、南台湾大学,台南,台湾
* [e-mail]
文摘:在这项研究中,基于氮化镓发光二极管(led)和自然形成的斜侧壁 (OSFs)是通过选择性再生过程制造。二氧化硅层是在掺杂n-GaN模板层而不是蓝宝石衬底。因此,外围的几个OSFs LED在GaN层。在处理过程中、干蚀刻对于曝光了n gan底层层以形成欧姆接触的n型是不必要的。这可能是由于这样的事实,即n gan模板层与一个电子浓度约8×1018 /立方厘米被曝光后,去除了二氧化硅掩模层。与注入电流20 mA,基于氮化镓发光二极管与OSFs表现出21%的增强在光输出与那些有垂直侧壁面。增强是因为光子提取OSFs可以减少内部吸收的损失。
©2010美国光学学会
OCIS代码:(230.3670)发光二极管;(230.0250)(230.5590)光电子学;量子阱设备。
引用和链接
1．e . f·舒伯特,发光二极管,pp.150 - 160(第二版,剑桥大学出版社、剑桥,英国,2006)。
2．x。a .曹王圣洁Pearton,a .张平,g . t .铛,f . Ren,r . j .,l . Zhang出r·海克曼和j·m·范·霍夫,“电效应的等离子体损伤在p gan”,达成。》。列托人。75(17),2569(1999)。
3．c·m·蔡,j·k·p·t·王,许凤,w·c·赖,s c . Shei王圣洁Chang Kuo,c . h,c . w .郭,y . k .苏”、“效率高、防静电特性的改进基于氮化镓发光二极管与自然纹理的表面增加了金属有机化学气相沉积”,IEEE光子。工艺。列托人。18(11),1213 - 1215(2006)(参考文献〕。
4．j·k·许凤,c . m .蔡,m . l . Lee,s . c和w·c·赖Shei,,“InGaN发光二极管与自然形成的截断micropyramids上表面,”达成协议。》。列托人。88(11),113505(2006)。
5．c . s . Chang王圣洁Chang,c·t·y·k·苏·李,y,w·c·赖c .林,美国Shei,j . c . c,h . m . Lo柯”,基于氮化led灯与变形侧墙”,IEEE光子。工艺。列托人。16(3),750 - 752(2004)。
6．j s。李,j·李,美国金,和h .琼”,基于氮化镓发光二极管结构与单片集成侧壁偏转装置增强表面发射,“IEEE光子。工艺。列托人。18(15),1588 - 1590(2006)。
7．c . c . Kao,h·c·郭,h·w·j·t·楚黄,y,y·l·c·彭谢长廷,c . y . c罗,美国王家声,玉,和c·f·林,”在一个氮化光输出增强基于发光二极管与22°削弱侧墙,“IEEE光子。工艺。列托人。17(1),19 - 21日(2005年)。
8．j·k·许凤,j·m·蔡,s . c . Shei,w . c .赖,t . c,c·h·温口,y·k·苏王圣洁Chang和g·c·卡,“低-操作电压的InGaN /氮化镓发光二极管和硅掺杂In0。3 ga0。7 n /氮化镓短周期超晶格隧道接触层,“IEEE电子设备列托人。22(10),460 - 462(2001)。
9．h . g . Kim Jeong Cuong t . v . s . h,h,吴宇森,o . h . Cha,e k。Suh,c h。香港,h·k·赵,b . h .香港,和m . s .桢,“空间分布的皇冠形状的光发射从周期性倒多边形偏转器嵌入在一个InGaN /氮化镓发光二极管,“达成。》。列托人。92(6),061118(2008)。
在GaN /蓝宝石基板上通过气象汽相外延,“j .结晶的。增长144(3 - 4),133 - 140(1994)。-10。y加藤,s北村,k,n . Sawaki Hiramatsu,“选择性生长氮化镓的纤锌矿和AlxGa1 xN
11．m·l·李,j·k·c·c·胡许凤,,“Nonalloyed Cr /非盟建立欧姆接触到n-gan”,达成。》。列托人。91(18),182106(2007)。
# 134305 - 15.00美元美元2010年8月31日收到;修订2010年9月29日,接受了2010年9月30日,2010年10月11日发布
(C)2010年11月8日2010 /卷阻塞性睡眠呼吸暂停综合症。18日,没有。A562 S4 /光学表达
12．c·f·林,h·c·g·c·气Cheng,c . j .布鲁里溃疡,和m . s .冯,“改善接触性能的氮化镓薄膜使用
硅扩散,“达成。》。列托人。76(14),1878(2000)。
13．j·k·许凤,g . c .太极,“掺杂工艺和掺杂剂特点的赣、“j。14、R657》(2002)。

1．介绍
决定发光二极管(LED)的外部量子效率(EQE)原因不只是通过的内部量子效率，而且也与活动层光子的萃取效率(LEE)有关。光子从高折射率半导体材料转移到低折射率材料的物质,如从空气到树脂[1]。相当一部分的能量被用来克服由LED的内部反射造成的大量的光子损失。一个大的临界角或粗糙表面对于提高光子生成在发光二极管活跃层逃跑的可能性是必要的。虽然一种半导体的折射率不能被改变,但是能通过粗化半导体表面来增强光的输出。光子随机角度可以通过从发光二极管粗糙上表面的表面散射来实现。因此,粗化表面的发光二极管可以用来克服光在这些表面的全反射。有几种方法来使以氮化镓为基础的发光二极管变的粗糙。一个是通过蚀刻的过程;然而,这种方法容易改变p-GaN层的表面特性,从而降低设备的电气性能,[2]。相比之下,这个控制生长条件来获得粗糙表面的过程优于蚀刻法。这个自然形成的V型表面以及自改变生长条件的成长期间接触层的p-GaN小金字塔式的应用是两个著名的途径[3,4]。自然形成的纹理在p-GaN层可以减少内部光在GaN /空气界面的反射和增强光子的萃取效率(LEE)。一个类似的概念已经应用到芯片侧壁。因此,更多的光子可以从使用纹理侧壁方面相比传统平侧壁面LED逃离[5]。最近,李等人基于GaN发光二极管与通过等离子体蚀刻的GaN侧壁导向板的制造增强光子的萃取效率[6]。侧壁反射导致了LED的部分斜面。这些使更多的光子从相比传统的用侧壁面垂直于衬底的LED灯斜面到基质的逃离侧壁[7]。在本研究中,我们展示另一种旨在实现斜侧壁(OSFs) 基于n-GaN的发光二极管为改善光的萃取效率的方法。外延层蓝色led InGaN /GaN的结构有选择地种植在n-GaN模板上。这个模板准备使用二氧化硅金属有机气相外延(MOVPE)来生成OSFs。对比于先前的报道,二氧化硅掩模层是仿效一个n-GaN模板层而不是表面上的蓝宝石衬底。除了加强光的萃取效率,这种方法还有其他的优势,包括讨论了其简单的处理和低成本。详细的处理程序和相关结果,包括电气和光学特性的发光二极管。

2．实验
本研究样本用于被种植在c表面(0001)2英寸在一个垂直金属有机气相外延(MOVPE)反应堆的蓝宝石基板。在LED结构增长之前，n型GaN外延层,包括1μm厚无掺杂GaN层和一个2μm厚的硅掺杂n-GaN层,在蓝宝石基板上成长为模板的随后的再生过程。N-GaN模板载体浓度层约8×1018 /立方厘米。二氧化硅层被沉积在n-GaN模板层然后选择性地蚀刻使用hydroflouric溶液形成一系列的模式的模板。后来,模板和无花纹的二氧化硅层分别装入以InGaN /n-GaN为基础的再生层反应堆的MOVPE。这些包括一个1.7μm厚硅掺杂n-GaN层生长在1000°C,一个10对In0.3Ga0.7N /氮化镓生长的两种结构750°C,一个0.05μm厚掺p-Al0.15Ga0.85N电子阻挡层生长在1000°C,和一个0.1μm厚掺磷氮化镓顶部接触层1000°C也增长。最后,一个重掺硅短周期超晶格(SPS)结构生长在p-GaN接触面上[8]。对于InGaN /n-GaN MQW活跃区域,每一对有一个3 nm厚In0.27Ga0.73N井层和一个17海里厚GaN阻挡层。

图1.(a) LED-I的结构和光子路径图;(b)详细的外延层结构;(c)典型的LED-I倾斜角度视图SEM图像,(d)典型的扫描电镜图像的形成后Cr / Au电极;(e)放大倾斜角度视图SEM图像拍摄的再生区后去除二氧化硅掩模层的LED-I;以及(f) LED-I的横截面视图SEM图像。

图1(a)和1(b)分别展示了原理图设备(标记为LED-I)和详细的外延层结构。对于比较分析，没有OSFs的LED灯也就绪完毕如图LED-II。对于LED-II的制备过程,晶圆部分被干蚀刻直到n-GaN层被曝光。干蚀刻过程不是必要的,因为只有当二氧化硅掩模层被简单的湿蚀刻法(HF溶液)，它导致n-GaN层被曝光。电流电压(电流-电压)在室温下使用一个HP4156C半导体参数分析仪进行测量。

3．结果和讨论
图1(b)展示了已经有选择地生长在一个n-GaN模板的LED倾斜视图的典型的电镜扫描照片。根据能量色散x射线谱分析(数据没有显示在这里,只有镓可以观察到表面的二氧化硅掩模层。这表明基于氮化镓层不能被储存在二氧化硅层。这个方法展示了氮化镓膜的选择性优越性。图1(c)展示了一个形成Cr / Au电极典型的扫描电镜图像的LED-I。图1(d)和1(e)分别展示了放大的倾斜角度和横断面视图的SEM图像。这些都来自LED-I去除二氧化硅掩模层后的再生区。外围的LED-I的外围包括几个斜面。包含{1011} 面 [9,10] 。再生GaN侧壁面的角度测量大概是62度倾斜于c表面。这些斜面对平面的(0001)启动了边缘的二氧化硅和n-GaN层在再生过程。此外，与横截面相比斜面的形成可以归因于垂直方向[0001]更高的增长率[9,10]。根据前面提到的结论，可以预见这种OSF的LED比垂直斜面的LED-II具有更高的光子萃取效率。用一个积分球面来评估自然形成的OFS关于LED出光效率和裸芯片的光子输出。这个设备制造过程以再生的台面面积形成透明的接触层的ITO表层的沉积为开始[4,7]，Cr / Au双层金属分别沉积在n + gan模板区域和ITO层形成阳极电极和n型欧姆接触面(即阴极) [11] [图1(a) 和图1(c)]。用于本研究LED芯片的尺寸340 × 340 μm2 。
图2. LED-I典型的光输出电流(电流)的特点与LED-II裸芯片形式;插图显示了典型的光束模式是从LED-I和LED-II。

图2展示了各自的典型的光输出电流特征的LED-I和LED-II在裸芯片形式。当一个20 mA直流时，所有的发光二极管发射波长约为460nm。设备的光输出总量使用允许光通过的积分球来测量，用来收集LED从各个方向发射出来的光线。图2的结果表明,通过利用可选择的生长过程形成OSFs，LED-I的光输出与LED-II同级相比明显提高了21%。LED-I光输出的增强可以归因于减少了在活跃层光子被再吸收的的概率。这假设可以通过测量被研究的LED的光束轨迹得到间接支持。正如图2的插图所示，在一个20 mA直流驱动电流驱动下的LED-I和LED-II典型的光束轨迹。这个图清楚地表明,LED-I显示一个更广泛的光束轨迹由于这样的事实,即光子从LED-I侧壁面提取的百分比高于LED-II,这导致了前者有广泛的光束轨迹。对于基于氮化镓传统LED，大部分的光线来自于一个各向同性源的GaN /空气界面,包括四个侧面和一个个表面,可以吸收全部内反射或菲涅耳反射,少量的光透过GaN /空气界面来到空气中。光子从变形半导体表面发射出的逃逸概率高于由平滑半导体表面逃逸出的概率 [1]。理论上，蓝色光撞击在顶部GaN /空气界面的临界角(θc)大约是23.5度。因此，一个生长在反射表面和四个垂直侧壁面的蓝宝石LED-II可以导致当光子的入射角小于θc的时候陷阱内的大部分光子的波导模式的。如果光子没有被材料完全吸收，那么就只有很少的光子从侧壁面来到LED外。然而,对于LED-I来说，斜面可以提供多个机会给光子逃离了LED侧壁面。这使更多的光子从OSFs中被提取，以至于产生了一个更广泛的光束轨迹。这意味着光子逃逸出LED之前在LED-I的平均路径长度短于在LED-II的平均路径长度。因此，在LED-I的光输出强度可以归因于内部吸收损失的减少。
图3. LED-I 和 LED-II电流-电压和动态电阻的特点.

考虑到LED-I的电气属性，硅或氧原子能够扩散到n-GaN模板层而导致在750到–1000 °C 的条件下GaN层表面的再生过程有一个重参杂[12,13]。在这个研究中，分别为Cr/Au的非合金金属d 干蚀刻表面，蒙面模板n+GaN层所有显示线性电流-电压特性和展示特定的约3 × 10-4 and 1 × 10-4 Ω cm2接触电阻(ρc)。图3是横向(LED-I)和纵向(LED-II)侧壁面发光二极管的电流-电压特性。LED-I和LED-II在20 mA条件下的电压(Vf)测量值大约3.10和3.12 V。串联电阻(Rs)决定通过动态电阻的提取(图3) 在LED-I和LED-II几乎是相同。这个结果可以归结于这一事实，在蚀刻GaN表面的Cr / Au的ρc参数可以与沉积二氧化硅表面n-GaN模板层相比。

4．结论
总之，本研究表明通过应用选择性再生自然形成的斜面的基于氮化镓发光二极管的电气和光学性质方法。基于斜面氮化镓发光二极管在20 mA直流条件下光输出加成了21%。这个加成可以归因于光子提取路径长度和内部吸收损失的减少。尽管二氧化硅蒙面沉积n-GaN模板层Cr / Au的ρc参数略低于蚀刻的GaN表面，LED-I的串联电阻和20 ma直流驱动下的正向电压几乎与LED-II完全相同的。因此，通过在n-GaN模板层的二氧化硅层蒙面的选择性再生过程并不会降低LED-I的电气属性。

鸣谢
这项工作是由能源局，合同号为98 - d0204 – 6的经济部部分支持。作者也承认用于金融支持的研究补助的国家科学委员会Nos. NSC 97-2221-E-006-242-MY3 and 98-2221-E-218-005-MY3。