GaN 基材料在光電器件中的應(yīng)用，得到了越來(lái)越多人的關(guān)注。由于近來(lái) GaN 基發(fā)光二極管的亮度取得了很大的提高，使得 GaN 基發(fā)光二極管在很多領(lǐng)域都取得了應(yīng)用，例如交通信號(hào)燈、移動(dòng)電話(huà)背光、汽車(chē)尾燈、短距離通信、光電計(jì)算機(jī)互聯(lián)等。但是由于非輻射缺陷的作用，使得 GaN 基發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率在室溫時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 100% 。此外，導(dǎo)致 GaN 基發(fā)光二極管外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延層和空氣的反射系數(shù)差異較大導(dǎo)致的全反射問(wèn)題。根據(jù)報(bào)道， GaN 和空氣的反射系數(shù)分別是 2.5 和 1 。因此在 InGaN-GaN 活性區(qū)產(chǎn)生的光能夠傳播出去的臨界角約為 23° 。這大大限制了 GaN 基發(fā)光二極管的外量子效率 [1] 。很多人在提高 GaN 基發(fā)光二極管的出光效率方面都做了很多工作，方法也比較多。下面主要介紹一下利用表面粗化的辦法來(lái)提高器件的出光效率。
Huang 等人 [2] 利用激光輻照的方法在傳統(tǒng)的 IaGaN/GaN 發(fā)光二極管上部 p-GaN 表面形成納米級(jí)粗糙層。這里所說(shuō)的傳統(tǒng)的 GaN 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)為： 560 ℃ 生長(zhǎng) 30nm 厚的 GaN 低溫緩沖層，一個(gè) 2μm 厚的未摻雜 GaN 層，一個(gè)在 1050 ℃ 生長(zhǎng)的 1.5μm 厚的 n-GaN 層，一個(gè)包含 5 個(gè)循環(huán)的的 In 0.21 Ga 0.79 N 2nm /GaN 5nm 多量子井層，一個(gè) 0.3μm 厚的 p-GaN 層。并且采用表面粗化處理的器件和傳統(tǒng)器件采用相同的生長(zhǎng)方法和步驟制備。經(jīng)過(guò)表面粗化后， p-GaN 表面均方根粗糙度由 2.7nm 增加到了 13.2nm 。結(jié)果顯示，采用表面粗化處理的器件的在加上 20mA 電流時(shí)，亮度提高了 25% 。但是工作電壓從 3.55 降低到了 3.3V 。采用表面粗化處理的器件的系統(tǒng)電阻降低了 29% ，這是因?yàn)楸砻娲只笤黾恿私佑|面積和經(jīng)過(guò)激光輻照后，具有了更高的空穴濃度。
很多人 [3-7] 利用表面粗化來(lái)提高出光效率做了研究，主要利用的方法包括表面粗化、晶片鍵合和激光襯底剝離技術(shù)等。但是這些研究都只把注意力放在了 GaN 基發(fā)光二極管頂部一個(gè)表面的粗化上。 W. C. Peng 等人 [8] 對(duì)利用雙層表面粗化來(lái)提高出光效率做了研究。 Wei chih peng 等人制備了三種 LED 器件。如圖 1 所示。其中 CV-LED 表示未作任何表面粗化處理的 LED 。 PR-LED 表示 p-GaN 進(jìn)行粗化處理的 LED 。 DR-LED 表示 p-GaN 層和 undoped-GaN 層進(jìn)行粗化處理的 LED 。
圖 1 ：器件結(jié)構(gòu)示意圖
這里 LED 的器件結(jié)構(gòu)包括：藍(lán)寶石襯底上在 550 ℃ 生長(zhǎng)的緩沖層、一個(gè)在 1050 ℃ 生長(zhǎng)的 2μm 厚的 undoped-GaN 層、一個(gè)在 1050 ℃ 生長(zhǎng)的 2μm 厚的 n-GaN 層、一個(gè)在 800 ℃ 生長(zhǎng)的，包含 6 個(gè)循環(huán)的 InGaN(3 nm) /GaN(9 nm) 多量子井和一個(gè)在 950 ℃ 生長(zhǎng)的 p-GaN 層。經(jīng)過(guò)粗化處理的表面與未處理之前的掃描電鏡照片如圖 2 所示。
  
圖 2. 掃描照片結(jié)果 (a) 未經(jīng)過(guò)處理的 p-GaN 表面 (b) 經(jīng)過(guò)粗化處理的 p-GaN 表面 (c) 經(jīng)過(guò)粗化處理的 undoped-GaN 表面
未經(jīng)過(guò)粗化處理前， p-GaN 表面的均方根粗糙度為 11.8nm 。而經(jīng)過(guò)粗化處理的 p-GaN 表面的均方根粗糙度達(dá)到了 71.6nm 。而經(jīng)過(guò)粗化處理的 undoped-GaN 表面有很多三維的島狀結(jié)構(gòu)。均方根粗糙度達(dá)到了 91.9nm 。
經(jīng)過(guò)表面粗化后，器件的性能并沒(méi)有受到影響。在注入電流為 20mA 時(shí)， DR-LED 正面出光強(qiáng)度為 133mcd , 是未經(jīng)粗化處理的器件的 2.77 倍。背面出光強(qiáng)度為 178mcd ，是 CV-LED 器件的 2.37 倍。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)表面粗化后，可以給光子提供更多出射的機(jī)會(huì)，而且開(kāi)始出射角度在臨界角之外的光也可以通過(guò)多次折射，最后進(jìn)入臨近角內(nèi)，使器件獲得更多的出光。
[1] W. Schmid, F. Eberhard, M. Schauler, M. Grabherr, R. King, M. Miller, E. Deichsel, G. Stareev, U. Martin, R. Jaeger, J. Joos, R. Michalzik, K.J. Ebeling, SPIE 3621 (1999) 198–205.
[2] H.-W. Huang et al. / Materials Chemistry and Physics 99 (2006) 414–417
[3] R. Windisch, B. Dutta, M. Kuijk, A. Knobloch, S. Meinlschmidt, S. Schoberth, P. Kiesel, G. Borghs, G. H. Dohler, and P. Heremans, IEEE Trans. Electron Devices 47 , 1492 (2000).
[4] Chul Huh, Kug-Seung Lee, Eun-Jeong Kang, and Seong-Ju Park , J. Appl. Phys. 93 , 9383 (2003).
[5] Y. P. Hsu, S. J. Chang, Y. K. Su, S. C. Chen, J. M. Tsai, W. C. Lai, C. H. Kuo, and C. S. Chang, IEEE Photonics Technol. Lett. 17 , 1620 (2005).
[6] C. M. Tsai, J. K. Sheu, W. C. Lai, Y. P. Hsu, P. T. Wang, C. T. Kuo, C. W. Kuo, S. J. Chang, and Y. K. Su, IEEE Electron Device Lett. 26 , 464(2005). [Page]
[7] C. H. Liu, R. W. Chuang, S. J. Changb, Y. K. Su, L. W. Wu, and C. C. Lin, Mater. Sci. Eng. , B 112 , 10 (2004).
[8] W. C. Peng and Y. C. S. Wu, Appl. Phys. Lett. 89 , 041116 (2006)
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