ICP刻蚀pGaN表面微结构GaN基蓝光LED
SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICSV01.29No.1Feb.2008
ICP刻蚀P—GaN表面微结构GaN基蓝光LED
张贤鹏,韩彦军,罗毅,薛小琳,汪莱,江洋
(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室.北京100084)
摘要:采用基于CI。/Ar/BCI。气体的感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制作了p-GaN表面具有直径3pm、周期6“m的二维圃孔微结构GaN基蓝先LED,研究了刻蚀深度对光荧光(PL)和发光二极管(LED)光电特性的影响。结果表明,刻蚀深度为25nm的表面微结构,与传统平面结构相比,其PL增强了42.8%;而采用ITO作为透明电极的LED,在20mA注入电流下,正面出光增强了38%、背面出光增强了10.6%,同时前向电压降低了0.6V,反向漏电流基本不变。,关键词:氮化镓基发光二极管;表面微结构;ICP于法刻蚀,湿法腐蚀
中图分类号:TN383文献标识码:A文章编号:1001—5868(2008)01一0006一04
GaN-basedBlueLEDsWithMicrostructureonp-GaN
SurfaceFormedbyInductivelyCoupledPlasmaEtching
ZHANGXian-peng,HANYaIl-jun,LUOYi,XUEXiao-lin,WANGLai,JIANGYang
心酸的句子
(StaleKeyLaboratoryIntegratedOptoelectronies,Departmentof
ElectronicEngineering,TsinghlmUniversity。BeUing100084,CHN)
Abstract:GaN—basedlight-emittingdiodeswith3btmholediameterand6gmperiod2一dimentionalmicrostructuralonp-GaNsurfacewerefabricatedbyusinginductivelycoupledplasmadryetchingwithC12/Ar/BCl3.TheeffectsoftheetchingdepthonphotoluminescenceandLEDdevicecharacterizationswerestudied.TheresultsshowthatthePLintensityoftheL
EDwith25nmdeepmicrostructureonp-GaNsurfacewasenhancedby42.8%comparetothatofthetraditionalflatsurfaceLED.UsingITOasthep-electrode。theLED’stopandbottomemittinglightintensityat20mAiniectioncurrentwasincreasedabout38%and10.6%separately,whiletheworkingvoltageswasreducedby0.6Vandthereverseleakagecurrentremainedcontstant.。Keywords:GaN—basedLED;surfacemicro-structure;ICPdryetching;wetetching
1引言
氮化镓(GaN)基蓝光发光二极管(LED)结合黄荧光粉合成白光的半导体照明技术,已获得世界各国的高度认同。经过多年的研究,其流明效率已经达到并超过了100lm/W的水平,但与国际公认
收稿日期:2007—06一05.
基金项目:国家自然科学基金项目(60536020,60390074);国家“973”计划项
目(2006CB302801,2006CB302804,2006CB302806。2006CB921106),国家“863”计划项目(2006AA03A105)l北京市科委重大计划资助项目(1:)0404003040321).
·6·路线图目标相比,尚有很大的发展空间。进一步提高GaN基器件流明效率的一个重要的障碍是光提取效率。GaN材料较大的折射率(2.4~2.5),使得器件产生的光子被大量限制在GaN薄层中,严重影响了器件的光提取效率。因此采用表面粗糙化[姻、图形衬底Ⅲ、表面微结构[4 ̄7]等技术提高器件的光提取效率成为研究热点。此外,由于传统Ni/Au电极对于蓝光的吸收较大,因此采用IT0作为P型电极能进一步提高器件的光提取效率[8]。由于GaN材料稳定的物理化学特性,采用湿法腐蚀技术制作微结构,通常只能进行缺陷腐蚀[5]。因此干
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法刻蚀技术是制作GaN基LED器件微结构的首选。但采用干法刻蚀制作p-GaN表面微结构容易对P—GaN造成损伤[9 ̄1¨,导致器件电压上升‘81。最近本实验室经过研究,发现ICP干法刻蚀后进行湿法腐蚀,能减少甚至恢复由于ICP干法刻蚀造成的对器件电压的影响[12。。本文采用普通光刻制作二维微结构图形,采用高速、非选择干法刻蚀技术‘”]制作GaN微结构,并利用湿法腐蚀恢复ICP刻蚀造成的损伤,采用IT0透明电极,在20mA注入电流条件下,将LED正面出光增强38%、背面出光增强10.6%的同时,将器件电压降低了0.60V,并且保持反向漏电特性不变。2
实验
实验中采用的GaN基LED外延片由
AIXTRON
2000HT低压金属有机气相沉积
(metalorganic
vapor
phase
epitaxy,MOVPE)系统
制备。选取两组样品,一组制作LED,另一组进行光致荧光(photoluminescence,PL)测试。制作LED的四个样品中首先在Oxford
Plasmalab
80等
离子体增强化学气相沉积(plasma
enhanced
chemical
vapor
deposition,PECVD)设备中沉积
Sioz,再利用光刻工艺和湿法腐蚀制备二维微结构Si0:图形作为干法刻蚀掩模。三个样品在Oxford
Plasmalab100感应耦合等离子体(inductively
coupled
plasma,ICP)亥0蚀设备中采用C12/Ar/BCl。
气体对表层p-GaN进行干法刻蚀,制作直径3gm、周期6且m的圆孔阵列二维微结构,分别刻蚀5/lo/
20
S,刻蚀速率约5nm/s;另外一个作为参考样品,
不刻蚀。经ICP刻蚀的样品随即采用湿法腐蚀处理恢复ICP损伤。随后,将四个样品在02中进行材料退火;利用ICP干法刻蚀以暴露n-GaN;EB蒸发ITO材料以制备P型电极;溅射Ti/A1材料以制备n型电极。制备完电极后,退火以实现P、n电极的合金化。最后EB制备Cr/AuP电极焊盘。图1给出了实验制备的LED的结构示意图。图Z(a)给出了具有表面微结构LED的实物图片。另一组样品采用同样工艺刻蚀制备微结构p-GaN表面,刻蚀时间分别为5/10/15/20/30S,相应的刻蚀深度为~25/50/75/100/150nm;干法刻蚀后,在室湿下利用
325
nm的He-Cd激光作为泵浦光照射样品,研究
室温光荧光特性的变化。
MQw.-CItN愠1
I/AIV////翻电气工程及其自动化专业就业前景
翱柙№
阏ITO
几几几几几门nTi/AI
邸aN
MOW
GIN(a)参考LED结构示意图
(b)具有二维微结构表面的
LED结构示意图
图1
LED结构示意图
图2实际LED照片。(a)LED全貌;(b)n电极附近局部
形貌;(c)P焊盘附近局部形貌
3实验结果及讨论
3.1光荧光特性
图3(a)给出了具有不同刻蚀深度表面微结构的GaN基LED外延片在干法刻蚀后室温光荧光的结果,图3(b)给出了光荧光峰值波长、半高全宽和归一化峰值光强随刻蚀时间的变化。从图中可以看出,在干法刻蚀时间分别为5、10、15、20和30S,刻蚀深度达到25、50、75、100和150nm时,其峰值光强分别增加至刻蚀前的1-428、1.966、2.369、2.605和2.953倍,半高全宽也从刻蚀前的18.1rim分别增加至19.9、23.4、24.3、26.0和32.9nm,而峰值波长基本维持在467~468nm。通常认为p-GaN对
于325nm的激光具有吸收作用,减薄p-GaN可以
增强光荧光强度,但由于微结构刻蚀的表面不到p-GaN表面积的20%,因此我们认为光强增加更加主要的原因是引入微结构改变了p-GaN表面形貌,增加了量子阱区激发的光荧光出射几率,
从而增强了光荧光强度。同时,由于刻蚀后P—GaN的减薄会改变了p-GaN层与多量子阱(MOW)之间的极化效应,改变量子阱能带结构,如图4所示。由于材料特性的影响,InGaN/GaN多量子阱与P—GaN之间存
万方数据
SEMICoNDUCToRoPToELECTRoNICSVoI.29No.1Feb.2008
在较强的极化效应,能带存在一定的倾斜,由于PGaN、n-GaN费米能级(岛)的一致性,这种倾斜受阱宽和p-GaN层厚度的约束,如图4中实线所示;在刻蚀后,由于p-GaN减薄,削弱了对于MQW层极化形变的约束,而表面费米能级不变使得能带倾斜发生变化、MQW层的倾斜加剧,如图4中虚线所示。显然这种能带倾斜程度增加会导致波长红移、并且刻蚀时间越长、能带变化越显著、波长红移越明显。但由于刻蚀面积较小,导致整体光荧光的峰值波长基本不变,但同时波形展宽、半高全宽增加。更加深入的机制和原因有待进一步探究。
AIrma
(a)室温光荧光光谱特性
t/9
(b)光谱峰值波长、半高全宽、归一化峰值光强随ICP刻蚀时间的变化
图3室温光荧光结果
图4p-GaN减薄引起的能带结构变化示意图3.2LED电学特性
图5(a)给出了利用Agilent4155C测量的表面·8·微结构LED和传统平面结构LED正向工作时的电压一电流曲线,图5(b)则给出了反向工作时的电学特性。从图5(a)中我们可以看到,正向工作时,干法刻蚀5S和10s的表面微结构LED其开启电压与未刻蚀LED基本一致,而20mA下前向工作电压从原来的4.75V下降到了4.15V和4.05V。电压下降的可能原因,首先是由于湿法腐蚀处理有效的恢复了干法刻蚀中对p-GaN造成的损伤,减少了表面N空位,改善了p-GaN表面状况;其次,由于刻蚀后p-GaN表面积增加,即便在相同欧姆接触的条件下也能相应降低其接触电阻L83;再次,由于刻蚀后IT0距离多量子阱区的相对距离更近,在电极退火过程中,ITO中的In组分容易扩散到更深的p-GaN中,而掺In的p-GaN的增加有利于减小电极的接触电阻,有助于降低器件电压。
y,V
(a)正向电压一电流曲线
y,V
(b)反向电压一电流曲线
图5LED的电压一电流曲线
但刻蚀208的LED,其正向开启电压小于0.5V,pn结漏电严重。图5(b)的结果显示,刻蚀5s的LED反向特性基本不变,刻蚀10s的略有变化;而刻蚀20s的LED在一5V时反向漏电流已达到101mA量级,器件特性严重恶化。对于刻蚀20s的器件,我们认为由于干法刻蚀时间过长,对p-GaN损伤严重,甚至影响了量子阱,从而使得LED在正向
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偏压下量子阱区pn结开启电压极小、漏电严重,这从下文LED的光学特性结果中也可以看出;而反向漏电流也因此严重恶化。
3.3LED光学特性
图6给出了利用Si光探测器测得的LED正面和背面电流一光强曲线。从图中可以看到经过干法刻蚀5S和10s的表面微结构LED在20mA下正面光强分别增加了38%和40%,背面光强则增加了10.6%和17.5%;而刻蚀20s的LED则导通后不发光。由于微结构在正面一侧,因此其对正面出光增加效果更明显。
J/mA
(a)正面电流一光强曲线
l|mA
(b)背面电流一光强曲线
图6LED的电流一光强曲线
对比光荧光结果与LED器件的结果可以看到,实际器件的正面光强增强幅度小于光荧光结果,尤其是干法刻蚀10S的器件增加幅度尚不到光荧光结果的一半,与刻蚀5S的相比增幅也不大,呈现饱和趋势。导致这种结果的主要原因可能是由于ICP刻蚀对p-GaN造成了整体损伤,影响了器件特性,一方面降低了P区载流子浓度,另一方面对量子阱造成了一定的损伤。尽管湿法腐蚀恢复了表面特性,在一定程度上缓解了ICP的影响,但无法根本解决整体损伤。由于P区载流子浓度降低,以及量
子阱受到一定损伤,使得器件在正向工作时电子空·穴对复合几率下降、电光转换效率降低,从而削弱了微结构的作用,最终导致其电流一光强曲线的特性随刻蚀时间的增加呈现出饱和趋势。因此,从根本上说,要真正发挥微结构的作用,仍需进一步研究,以解决ICP带来的损伤问题。
4结论
本文利用干法刻蚀技术在矿GaN表面制作直径3gm、周期6卢m的二维圆孔微结构,并利用湿法腐蚀恢复干法刻蚀造成的表面损伤。与传统平面结构器件相比,刻蚀5s、深度为25nrfl的表面微结构,其光荧光结果提高了42.8%;而采用ITO作为P电极的LED器件在注入电流为20mA的条件下,将正面出光提高了38%、背面出光提高了10.6%,同时器件电压也降低了0.6V,反向漏电流基本不变。
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(下转第15页)
·9。
 万方数据
《半导体光电)2008年2月第29卷第1期高劭宏等:超结构先栅DBR半导体激光器的敷值模拟
以下的自发辐射谱。虽然采用了简化的近似,但采
用此法还是可以反映激光器的阈值条件和可调谐的
特征。从不同的注入电流下的发射谱看,有源区和
SSGDBR的注入电流都会影响光谱的输出特性。
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作者简介:
高劭宏(1959一),男,黑龙江省哈尔滨市人,博士,主要从事半导体激光器、光通信方面的研究。
E-mail:shgaohit@163.com
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作者简介:
Lett.,2000,77(12):1795—1797.张贤鹏(1979一),男,博士生,现从事氮化镓基[112MisteleD,AdertoldJ,KtausingH,eta1.Influence化合物半导体器件的制作及工艺研究。
ofpre-etchingspecificcontactparametersfor
E—mail:zhangxianpen998@mails.tsinghua.edu.ca
·15· 万方数据

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