的Ar-植入的AlN 藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵系發(fā)光二極管與嵌入的空氣空隙.doc

的Ar-植入的AlN /藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵系發(fā)光二極管與嵌入的空氣空隙許進(jìn)恭1,2，一，尚菊涂1，玉鄉(xiāng)葉1，李銘倫，一，和賴偉志1,21光子學(xué)與先進(jìn)的光電技術(shù)中心，國立成功大學(xué)，臺南市70101，臺灣研究中心能源科技與策略中心微/納米科學(xué)與技術(shù)研究，國立成功大學(xué)，臺南市70101，臺灣3部光電工程，南臺灣科技大學(xué)，臺灣臺南縣71001（2012年8月25 2012年9月在網(wǎng)上公布2012年10月8日）最近，圖案化藍(lán)寶石襯底（PSS）上生長的GaN基發(fā)光二極管（LED）來創(chuàng)建一個粗糙的GaN /藍(lán)寶石接口，并從而提高光的輸出功率，有1，2的這個過程大規(guī)模生產(chǎn)成為一個成熟的技術(shù)。周圍的GaN /藍(lán)寶石接口創(chuàng)建一個光散射層，以避免光導(dǎo)效應(yīng)。在自組裝的外延生長過程中自然形成的紋理，在頂端的GaN /空氣和/或底部的GaN /藍(lán)寶石接口，3相反，生長的GaN基LED，需要額外的處理，即，對PSS藍(lán)寶石表面是最初紋理使用濕化學(xué)或等離子體蝕刻在外延生長之前，由金屬有機(jī)物汽相外延（MOVPE）1，2此外，實現(xiàn)合理的良好的質(zhì)量的晶體的生長條件是強(qiáng)烈依賴于深度和間距的PSS圖案4，5和成核層。的藍(lán)寶石襯底和GaN層的成核層之間的錯位的大小的關(guān)鍵點之一。成核生長條件，以及由此帶來的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌再結(jié)晶后的流動高溫GaN層的質(zhì)量是至關(guān)重要的。6日元等。7最近報道的易地成核層AlN的濺射法制備，可以有效地在藍(lán)寶石襯底上生長GaN基LED的改善的性能。此外，濺射AlN成核層使一個步驟的GaN外延，以減少外延的生長時間和熱循環(huán)。8在本研究中，旨在實現(xiàn)的光散射層的GaN基LED的有源層的下方的方法被證明改善的光提取效率（李）。相反，上述的方法，制備的無線電頻率（RF）的AlN成核濺射最初沉積藍(lán)寶石基板上，然后進(jìn)行的選擇性區(qū)域Ar離子注入定期創(chuàng)建的AlN層上的損傷區(qū)域。氬氣注入的AlN /藍(lán)寶石襯底服務(wù)（AIAS）為模板。接著，的AIAS模板被裝入MOVPE反應(yīng)器生長GaN基發(fā)光二極管，而無需請求的常規(guī)低溫成核層6，7，8因此，形成了一系列的空氣空隙周圍的藍(lán)寶石/氮化鋁/氮化鎵接口實現(xiàn)光散射結(jié)構(gòu)下方的有源層用于提高LED的議員。這種技術(shù)提供的事實，基本上是平的，在常規(guī)PSS與凹部和凸的表面相反的表面形態(tài)AIAS。詳細(xì)的處理程序和相關(guān)結(jié)果，包括所制作的發(fā)光二極管的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，討論。在這項研究中，25 nm厚的易地濺射沉積在AlN成核層的藍(lán)寶石基板作為模板。在RF濺射過程期間，AlN的目標(biāo)被用來沉積AlN薄膜，7典型的生長率和AlN薄膜的溫度分別為5nm /分鐘和750，分別。LED外延結(jié)構(gòu)，Ar離子注入的劑量和能量，其中分別為11016/厘米2和100千電子伏，分別生長之前，有選擇地進(jìn)行的AlN /藍(lán)寶石模板。定期注入?yún)^(qū)域，創(chuàng)造一個2m厚的光敏層的遮罩層。對PR掩模層3米直徑的圓形的開口被定義：使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻法。此外，一個90納米厚的SiO2層，然后沉積在所述開口中，從而使注入的Ar離子將積累的表面的AlN /藍(lán)寶石模板旁邊。的Ar注入?yún)^(qū)域之間的間隔的圓形注入?yún)^(qū)域的直徑的Ar-注入工藝和掩模層的去除后，分別為3米。圖1a的顯示的示意圖的橫截面視圖的AIAS基板。往下，AIAS基板裝入生長LED外延結(jié)構(gòu)的MOVPE反應(yīng)器中，這些作為LED-I標(biāo)記。LED外延結(jié)構(gòu)的AlN /藍(lán)寶石模板上生長，沒有的Ar離子注入，也被用于比較而制備的，并且作為LED-II標(biāo)記。包括一個AlN成核易地RF濺射層，3m厚的無摻雜GaN（U-GaN）的增長，在1050C，一個1.7m厚的矽摻雜n型GaN的LED外延層層生長，在1050，10對在0.3Ga的0.7N / GaN的多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)，在750下生長，0.05m厚的Mg摻雜的p-Al系0.15鎵0.85N個電子阻擋層，和0.2m厚的Mg摻雜的p-GaN接觸層生長，在1000下在n-GaN和p-GaN層的載流子濃度是約81018/厘米3和51017/厘米3，分別。之后，大量的Si-摻雜的InGaN頂層的p-GaN接觸層上生長，9的InGaN / GaN的LED外延結(jié)構(gòu)的AIAS基板上的生長期間，最初的u-GaN外延層上生長的植入而沉積的u-GaN層上的Ar植入?yún)^(qū)域的空閑區(qū)域，并沒有出現(xiàn)由于晶格常數(shù)的差異之間的植入和植入-自由區(qū)域。因此，選擇生長的生長過程中發(fā)生的u-GaN外延層的的AIAS基板上，形成了一系列的六方凹部的u-GaN層上，如示于圖1b中，1c中。的u-GaN層中的下一個順序，在植入?yún)^(qū)域橫向增長MQW有源層下形成的u-GaN層中的空氣空隙，對應(yīng)于圖1d的。圖圖2a示出了典型的頂視圖的u-AIAS襯底 上生長的GaN層，通過掃描電子顯微鏡（SEM）獲得的顯微鏡照片。周期孔的SEM圖像顯示，選擇生長的u-GaN層的生長過程中發(fā)生。這一結(jié)果可以歸因于相對較低的生長速率的Ar-比在注入-自由區(qū)域的注入?yún)^(qū)域的GaN。上述兩個區(qū)域中的生長速率的差異導(dǎo)致從在它們的晶格常數(shù)差異。在一般情況下，接受高劑量和/或高能量的離子轟擊的半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的無定形層10在本研究中，植入的Ar離子創(chuàng)建了一個具有約50nm的深度的估計從藍(lán)寶石表面的損傷層通過仿真驗證。據(jù)的前一報告，藍(lán)寶石或氮化物半導(dǎo)體的非晶化的臨界劑量所示是大約1016/厘米2，和的晶格常數(shù)的AIAS注入劑量和/或能量的增加而增加，10，11的圖2a的表示的u-GaN層上生長的AIAS中存在的凹部。橫向凝聚的u-GaN層中形成的凹部后，最終的結(jié)果在一連續(xù)層，和葉以上的Ar注入的區(qū)域的空隙。接著，一個典型的GaN系LED結(jié)構(gòu)的其余層依次嵌入在藍(lán)寶石/氮化鋁/ U型氮化鎵接口與空氣空隙的u-GaN層上生長。因此，GaN基LED使用AIAS基板，如在圖2b中所示，可以形成與嵌入式的InGaN / GaN多量子阱有源層的下方的空氣空隙。另一方面，傳統(tǒng)藍(lán)寶石上生長的GaN基LED，沒有具有平坦，無空隙的藍(lán)寶石/ U型GaN界面（即，LED-II）中的Ar-注入工藝。對于設(shè)備過程中，所有的LED晶片被應(yīng)用到臺面和使用程序類似于我們在以前的報告中的電極形成。的裸芯片的LED的光輸出功率和電流-電壓特性與一個積分球和HP 4156半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測量，分別。圖1。的（a）的Ar-植入的AlN /藍(lán)寶石模板的示意圖，（二）的u-GaN層上生長的AIAS，（三）發(fā)生橫向外延生長以上的Ar注入?yún)^(qū)域上的AIAS，和（d）的空氣空隙嵌入的u-GaN層中。第一次出現(xiàn)的圖。：1a的文章。查看第一次出現(xiàn)的圖。1b在文章中第一次出現(xiàn)的圖。1c在文章中第一次出現(xiàn)的圖。1D文章。圖2。SEM圖像（a）典型的頂視圖從U型GaN外延層上生長的AIAS的顯微照片，（二）從有代表性的LED上生長一個AIAS得到的剖視圖。第一次出現(xiàn)的圖。2a的文章。第一次出現(xiàn)。2b的文章。圖圖3a示出了相對的輸出功率-電流（LI）的特性的LED-I和LED-II。用20 mA的電流注入，輸出功率的LED-I有一個增強(qiáng)的LED-II相比，在25的幅度。對于LED-I，嵌入的空氣空隙導(dǎo)致在藍(lán)寶石/氮化鋁/ U型GaN的接口中的光散射層。誘導(dǎo)的空隙索引步驟在藍(lán)寶石/氮化鋁/ U型GaN的接口，導(dǎo)致從LED逸出的光子的概率增加。換言之，從有源層發(fā)射的光的LED-I經(jīng)歷了顯著的反射和重定向周圍的空氣空隙，并由此導(dǎo)致在較短的平均路徑之前的光子逃脫到自由空間中，如示于圖3b中。12圖3c中示出的顯微鏡照片，取自的LED-I下的操作電流為10 mA。上可觀察到的近場的圖像，如在圖3c中的分段表示從在嵌入的空氣空隙的光散射所導(dǎo)致的周期特征。預(yù)期的效果，孔隙大小李加強(qiáng)，模擬光線追蹤建議的LED結(jié)構(gòu)與不同的空隙尺寸。本的情況下，嵌入式與圓錐形狀的空隙的尺寸的高度和底部寬度為0.7m，用于設(shè)置。帶LED-II中，通過頂面的LED-I顯著高于提取的射線密度比較。的相對較高的射線密度的LED-I歸因于發(fā)射的光反射在藍(lán)寶石/氮化鎵/無效接口和重定向的頂表面，這意味著更大的有效總的內(nèi)部反射角的光入射到空氣中，從而導(dǎo)致在相對較少的內(nèi)部吸收的LED-I。議員的LED-I在此計算中，有一個增強(qiáng)的LED-II相比，在25的幅度。原則上，LED的議員我可以得到進(jìn)一步增強(qiáng)，如果底部的寬度分別增加。如果空隙的高度和底部寬度分別增加至3m時，李LED與嵌入的空隙可以由超過70的提高相比，未經(jīng)嵌入空隙的LED。12的室溫的電流-電壓（ IV）特性的LED-I和LED-II的圖4中所示。隨著注入電流20毫安，典型的正向電壓（Vf）分別為3.20 V和3.21 V的LED-I和LED-II，分別在幾乎相同的VF意味著誘導(dǎo)橫向生長的GaN層的的AIAS基板上沒有顯著的負(fù)面影響的LED-I上的串聯(lián)電阻13，但反向的IV特性表明，在LED-我有泄漏電流略有高于LED-II。雖然本情況下是不完全一致的常規(guī)案件外延橫向過度生長在GaN上，形成上述的Ar注入的區(qū)域，如在上述段落中提到的空氣空隙，意味著發(fā)生上述的Ar-注入?yún)^(qū)域14到橫向生長形成空氣空隙。因此，橫向生長引起的合并界限以上的空隙，因為會議的橫向生長GaN方面方面。以上的空隙，可能會引起一些合并的邊界線位錯密度（TD）在合并晶面發(fā)揮作用的泄漏路徑。13因此，TD-LED-I誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)上的缺陷相比，相對較高的反向漏電流那些在LED-II。另一方面，缺陷似乎表現(xiàn)出影響不大的LED-I上的發(fā)光效率，如圖3。這一結(jié)果再次表明，InGaN基藍(lán)色/綠色LED的發(fā)光效率是相對不敏感的結(jié)構(gòu)缺陷。15，16雖然TD-相關(guān)的缺陷可能誘發(fā)AIAS上生長的發(fā)光二極管中的額外的泄漏路徑，從而惡化反向IV特性，應(yīng)進(jìn)一步降低上述的缺陷的空隙，如果底層的u-GaN外延層的厚度增加，或者如果被添加到的LED結(jié)構(gòu)中的插入層17，18圖3。（a）相對的輸出功率的LED-I和LED-II作為注入電流的函數(shù)，（二）的光子路徑的說明圖的LED-I，和（c）的近場圖像的LED-I下驅(qū)動電流為10毫安。第一次出現(xiàn)的圖。3a的文章。查看圖的第一次出現(xiàn)。3b的文章。第一次出現(xiàn)。3C文章。圖4。室溫下的電流 - 電壓（IV）特性的LED-I和LED-II。第一次出現(xiàn)的圖。4條。最后，選擇區(qū)域上生長的GaN基LED的Ar-植入的AlN /藍(lán)寶石襯底上以形成空氣空隙，圍繞下方的有源層，藍(lán)寶石/氮化鋁/ U型氮化鎵接口進(jìn)行了論證。實驗結(jié)果表明，25的Ar-注入的藍(lán)寶石襯底上生長的LED的光輸出功率提高與這些植入自由的AlN /藍(lán)寶石襯底上生長的LED相比。這種增強(qiáng)的輸出功率，主要是由于周圍的空氣空隙，這導(dǎo)致到一個更高的光子逸出幾率的光散射?？傊?，有在光提取效率的改進(jìn)，而不是在材料質(zhì)量或內(nèi)部量子效率的增加。本成果的基礎(chǔ)上，在Ar注入的AlN /藍(lán)寶石襯底被預(yù)期具有潛在的是一種替代的選擇，與常規(guī)的圖案化藍(lán)寶石襯底相比，GaN /藍(lán)寶石基LED的光提取效率的改善。致謝這項工作是由能源局，財政部經(jīng)濟(jì)事務(wù)的財政支持臺灣，中華民國行政院國家科學(xué)委員會為合同項下的第101-D0204-101-2221-E-218-012-MY3，101 - 2221-E-006-171-MY3，100-2112-M-006-011-MY3，和100-3113-E-006-015。作者還要承認(rèn)的LED照明研究中心及國立成功大學(xué)能源科技與策略研究中心。參考文獻(xiàn)（18） 相關(guān)文章在單獨的窗口/標(biāo)簽選擇：導(dǎo)出參考文獻(xiàn)|添加到MyArticles的1. 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