溝槽填充p型氮化鎵可增加InGaN LED輸出功率

　　韓國首爾國立大學和三星電子有限公司已經(jīng)使用填充有p型氮化鎵的溝槽來增加InGaN LED的輸出功率。

　　溝槽的目的是使孔更有效地進入多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的LED中，來自頂部p-GaN接觸層的孔往往要遠離阱頂部，這意味著從阱下部發(fā)出的光不會太多。通過溝槽，研究人員希望增加進入設(shè)備較深部分的孔的數(shù)量（圖1a）。

　　圖1.（a）常規(guī)LED和p型溝槽LED的MQW孔分布（b）張力存在或消除時，MQW的能帶結(jié)構(gòu)

　　研究人員也希望用溝槽分裂應變材料能減少由III族氮化物極化引起MQW結(jié)構(gòu)中的壓電場。張力的出現(xiàn)是由于GaN和InGaN晶體結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)晶格失配。

　　在量子阱結(jié)構(gòu)中，在內(nèi)建極化電場的作用下，能帶發(fā)生傾斜，電子和空穴發(fā)生分離，波函數(shù)交疊量減少，并轉(zhuǎn)換成光子（圖1b），這就是通常說的量子限制斯塔克效應（QCSE）。通過在半極性或非極性晶體取向中生長材料可以避免這種影響，但是通常需要使用昂貴的自立式或大塊的GaN基板。

　　空穴運輸差是導致高電流注入時效率下降的其中一個原因。由于大多數(shù)的電子-空穴復合發(fā)生在一個或兩個阱中，非輻射“俄歇”似的起始電流就會降低。此外，電子溢出到p-GaN接觸層中的概率大大增加。

　　用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)在c面藍寶石基板上生長的的3nm/12nm InGaN / GaN多量子阱，通過電子束光刻法定義溝槽。有源區(qū)發(fā)出藍光。光刻在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）抗蝕劑的100nm涂層上進行。通過電感耦合等離子體蝕刻將形成溝槽的圖案轉(zhuǎn)移到MQW結(jié)構(gòu)中，在950℃溫度和200Torr壓力下，p型GaN填充的溝槽橫向生長。

　　研究人員還嘗試了一種選擇性濕蝕刻法，在165℃的乙二醇中使用氫氧化鉀來形成溝槽，通過增加氧化銦錫（ITO）電流擴散層來測試結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光。金屬接觸點為鉻/鎳。

　　研究人員估計，沒有溝槽的設(shè)備排放的光輸出功率是具有類似有源區(qū)域的LED的約5％。通過干蝕刻產(chǎn)生溝槽增加了光輸出，并將藍移轉(zhuǎn)為較短的波長（圖2）。

　　圖2.（a）使用電子束光刻和常規(guī)結(jié)構(gòu)的p型溝槽結(jié)構(gòu)的光輸出功率; （b）電致發(fā)光（EL）; 和（c）正向和（d）反向電流。

　　1μm時溝槽的光輸出最大。研究人員評論道：“這是因為p型溝槽結(jié)構(gòu)也減少了MQW的體積，同時減少了張力和QCSE。因此，為了將光輸出功率最大化，重要的是優(yōu)化溝槽結(jié)構(gòu)體積與剩余MQW體積之間的比率?！?

　　波長位移在500nm時最大 – 從無溝槽的431nm到420nm，有效的帶隙因此從2.76eV增加到2.85eV，這得歸功于張力松弛。p溝道對于給定的電壓增加了正向電流，而且在反向偏壓下增加了泄漏。

　　溝槽的濕蝕刻也增加了光輸出功率，但并沒有顯著提高。此外，該技術(shù)在松弛張力時不是十分有效。電流-電壓行為也受濕蝕刻溝槽地影響較小。