引言

基於氮化鎵(GaN)的半導體已經被廣泛研究，因為它們在光電應用中具有潛力，例如在藍色和紫外波長區域工作的發光二極體。為了提高氮化鎵基發光二極體的可靠性，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光二極體中的p-氮化鎵表面進行選擇性溼法化學刻蝕。與未蝕刻的發光二極體相比，蝕刻的發光二極體在正向和反向偏壓下的洩漏電流要低得多。蝕刻的發光二極體也顯示出改善的光提取效率，並且在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光二極體慢。這些結果可歸因於表面缺陷的減少、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，我們研究了蝕刻發光二極體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，在發光二極體上採用了溫度相關的電流電壓測量。與未蝕刻的發光二極體相比，選擇性蝕刻的發光二極體的漏電流顯著降低。

實驗

使用金屬-有機化學氣相沉積法在c面藍寶石襯底上生長了InGaN-GaN多量子阱(MQW)發光二極體。發光二極體結構由矽摻雜的氮氮化鎵層(2米)、五週期的銦鎵氮(3奈米)/氮化鎵(7奈米)MQW有源層和鎂摻雜的磷氮化鎵層(0.2米)組成。p-GaN層的霍爾效應測量顯示空穴濃度為釐米。樣品用三氯乙烯、丙酮、甲醇和去離子水清洗。然後將發光二極體樣品在乙二醇(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蝕刻發光二極體)。頂部發光二極體的面積為

300 μm× 300 μm。透過以下工藝製造。發光二極體的頂部被部分刻蝕，直到暴露出氮化鎵層。在氮化鎵層上沉積了一層鈦鋁(30/80奈米)。在p-GaN層上分別沉積了5/5奈米和30/80奈米的鎳-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境中於500℃退火30 s。電流擴散層在空氣環境中於500℃退火1分鐘。使用325奈米線的氦-鎘鐳射器作為激發源，在室溫下測量光致發光。在20℃–150℃的溫度範圍內獲得溫度相關曲線。透過在室溫下向發光二極體注入300毫安的電流來測量時間相關光輸出功率。

結果和討論

圖1a表明，KNE溶液選擇性蝕刻後的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複合物)數量的減少有關。

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影象

結果表明，koh基化學處理可能會形成類似受體的Ga空位，導致空穴濃度的增加，並消除表面氧化鎵和吸附的碳/碳氫化合物。圖1(b)分別顯示了未蝕刻和KNE蝕刻led的Gax射線光發射光譜(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表面區域附近的空穴濃度增加。圖1(c)顯示了p-GaN表面的場效應掃描電子顯微鏡影象，用KNE溶液蝕刻165c30min。六角蝕刻坑直徑為1.0米，深度為150奈米，透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式。由於焦耳加熱和電流擁擠效應，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於未蝕刻LED。這表明KNE蝕刻過程減少了電流擁擠，抑制了焦耳加熱。由於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。

圖2 KNE蝕刻和非蝕刻LED的光輸出功率作為注入電流的函式

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由於p-GaN層表面缺陷數量減少，更可靠，壽命更長。

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

總結

為了提高發光二極體的效能和可靠性，使用KNE溶液有選擇地蝕刻InGaN-GaN MQW發光二極體上的p-GaN層。在20蝕刻-150C溫度範圍內，KNE蝕刻LED的正向和反向洩漏電流與非蝕刻LED的正向和反向洩漏電流相比降低。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於p-GaN中缺陷數量的減少和由於p-GaN的表面紋理而導致的光提取效率的提高。