GaN 基材料在光電器件中的應用，得到了越來越多人的關注。由于近來 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)光二極管在很多領域都取得了應用，例如交通信號燈、移動電話背光、汽車尾燈、短距離通信、光電計算機互聯(lián)等。但是由于非輻射缺陷的作用，使得 GaN 基發(fā)光二極管的內量子效率在室溫時，遠遠小于 100% 。此外，導致 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)差異較大導致的全反射問題。根據(jù)報道， 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 表面形成納米級粗糙層。這里所說的傳統(tǒng)的 GaN 發(fā)光二極管的結構為： 560 ℃ 生長 30nm 厚的 GaN 低溫緩沖層，一個 2μm 厚的未摻雜 GaN 層，一個在 1050 ℃ 生長的 1.5μm 厚的 n-GaN 層，一個包含 5 個循環(huán)的的 In 0.21 Ga 0.79 N 2nm /GaN 5nm 多量子井層，一個 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方法和步驟制備。經(jīng)過表面粗化后， p-GaN 表面均方根粗糙度由 2.7nm 增加到了 13.2nm 。結果顯示，采用表面粗化處理的器件的在加上 20mA 電流時，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% ，這是因為表面粗化后增加了接觸面積和經(jīng)過激光輻照后，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)光二極管頂部一個表面的粗化上。 W. C. Peng 等人 [8] 對利用雙層表面粗化來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 進行粗化處理的 LED 。 DR-LED 表示 p-GaN 層和 undoped-GaN 層進行粗化處理的 LED 。
圖 1 ：器件結構示意圖
這里 LED 的器件結構包括：藍寶石襯底上在 550 ℃ 生長的緩沖層、一個在 1050 ℃ 生長的 2μm 厚的 undoped-GaN 層、一個在 1050 ℃ 生長的 2μm 厚的 n-GaN 層、一個在 800 ℃ 生長的，包含 6 個循環(huán)的 InGaN(3 nm) /GaN(9 nm) 多量子井和一個在 950 ℃ 生長的 p-GaN 層。經(jīng)過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. 掃描照片結果 (a) 未經(jīng)過處理的 p-GaN 表面 (b) 經(jīng)過粗化處理的 p-GaN 表面 (c) 經(jīng)過粗化處理的 undoped-GaN 表面
未經(jīng)過粗化處理前， p-GaN 表面的均方根粗糙度為 11.8nm 。而經(jīng)過粗化處理的 p-GaN 表面的均方根粗糙度達到了 71.6nm 。而經(jīng)過粗化處理的 undoped-GaN 表面有很多三維的島狀結構。均方根粗糙度達到了 91.9nm 。
經(jīng)過表面粗化后，器件的性能并沒有受到影響。在注入電流為 20mA 時， DR-LED 正面出光強度為 133mcd , 是未經(jīng)粗化處理的器件的 2.77 倍。背面出光強度為 178mcd ，是 CV-LED 器件的 2.37 倍。這是因為經(jīng)過表面粗化后，可以給光子提供更多出射的機會，而且開始出射角度在臨界角之外的光也可以通過多次折射，最后進入臨近角內，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.
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[8] W. C. Peng and Y. C. S. Wu, Appl. Phys. Lett. 89 , 041116 (2006)
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