的Ar-植入的AlN 藍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光子學與先進的光電技術中心，國立成功大學，臺南市70101，臺灣研究中心能源科技與策略中心微/納米科學與技術研究，國立成功大學，臺南市70101，臺灣3部光電工程，南臺灣科技大學，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)模生產成為一個成熟的技術。周圍的GaN /藍寶石接口創(chuàng)建一個光散射層，以避免光導效應。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 /藍寶石接口，3相反，生長的GaN基LED，需要額外的處理，即，對PSS藍寶石表面是最初紋理使用濕化學或等離子體蝕刻在外延生長之前，由金屬有機物汽相外延（MOVPE）1，2此外，實現(xiàn)合理的良好的質量的晶體的生長條件是強烈依賴于深度和間距的PSS圖案4，5和成核層。的藍寶石襯底和GaN層的成核層之間的錯位的大小的關鍵點之一。成核生長條件，以及由此帶來的微觀結構和表面形貌再結晶后的流動高溫GaN層的質量是至關重要的。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寶石基板上，然后進行的選擇性區(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 /藍寶石襯底服務（AIAS）為模板。接著，的AIAS模板被裝入MOVPE反應器生長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寶石/氮化鋁/氮化鎵接口實現(xiàn)光散射結構下方的有源層用于提高LED的議員。這種技術提供的事實，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。詳細的處理程序和相關結果，包括所制作的發(fā)光二極管的電學和光學性質，討論。在這項研究中，25 nm厚的易地濺射沉積在AlN成核層的藍寶石基板作為模板。在RF濺射過程期間，AlN的目標被用來沉積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外延結構，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，有選擇地進行的AlN /藍寶石模板。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：使用標準的光刻法。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外延結構的MOVPE反應器中，這些作為LED-I標記。LED外延結構的AlN /藍寶石模板上生長，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）結構，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外延結構的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體的晶體結構產生的無定形層10在本研究中，植入的Ar離子創(chuàng)建了一個具有約50nm的深度的估計從藍寶石表面的損傷層通過仿真驗證。據(jù)的前一報告，藍寶石或氮化物半導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結構的其余層依次嵌入在藍寶石/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)藍寶石上生長的GaN基LED，沒有具有平坦，無空隙的藍寶石/ U型GaN界面（即，LED-II）中的Ar-注入工藝。對于設備過程中，所有的LED晶片被應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半導體參數(shù)分析儀測量，分別。圖1。的（a）的Ar-植入的AlN /藍寶石模板的示意圖，（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有一個增強的LED-II相比，在25的幅度。對于LED-I，嵌入的空氣空隙導致在藍寶石/氮化鋁/ U型GaN的接口中的光散射層。誘導的空隙索引步驟在藍寶石/氮化鋁/ U型GaN的接口，導致從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致的周期特征。預期的效果，孔隙大小李加強，模擬光線追蹤建議的LED結構與不同的空隙尺寸。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部反射角的光入射到空氣中，從而導致在相對較少的內部吸收的LED-I。議員的LED-I在此計算中，有一個增強的LED-II相比，在25的幅度。原則上，LED的議員我可以得到進一步增強，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意味著誘導橫向生長的GaN層的的AIAS基板上沒有顯著的負面影響的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誘導的結構上的缺陷相比，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。這一結果再次表明，InGaN基藍色/綠色LED的發(fā)光效率是相對不敏感的結構缺陷。15，16雖然TD-相關的缺陷可能誘發(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，應進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結構中的插入層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 /藍寶石襯底上以形成空氣空隙，圍繞下方的有源層，藍寶石/氮化鋁/ U型氮化鎵接口進行了論證。實驗結果表明，25的Ar-注入的藍寶石襯底上生長的LED的光輸出功率提高與這些植入自由的AlN /藍寶石襯底上生長的LED相比。這種增強的輸出功率，主要是由于周圍的空氣空隙，這導致到一個更高的光子逸出幾率的光散射?？傊性诠馓崛⌒实母倪M，而不是在材料質量或內部量子效率的增加。本成果的基礎上，在Ar注入的AlN /藍寶石襯底被預期具有潛在的是一種替代的選擇，與常規(guī)的圖案化藍寶石襯底相比，GaN /藍寶石基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)濟事務的財政支持臺灣，中華民國行政院國家科學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。作者還要承認的LED照明研究中心及國立成功大學能源科技與策略研究中心。參考文獻（18） 相關文章在單獨的窗口/標簽選擇：導出參考文獻|添加到MyArticles的1. 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