編者按：劉禹錫有《金陵懷古》詩：潮滿冶城渚，日斜征虜亭。蔡洲新草綠，幕府舊煙青……白居易贊此詩“前四句已探驪珠”，而《濕法表面粗化技術(shù)初探》則探得經(jīng)過粗化的GaN基LED芯片，亮度增加可達(dá)24%以上。

　　自從1994年日本日亞公司在基于藍(lán)寶石襯底的GaN基LED的研究上取得重大突破后，世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都在投入巨資加入到高亮度GaN基LED的開發(fā)中，極大地推動了高亮度LED的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。最近，由于GaN基LED亮度的提高，使其在顯示、交通信號燈、手機(jī)背光方面的應(yīng)用前景更加廣闊。然而，由于存在非輻射缺陷，導(dǎo)致GaN基LED在室溫下其內(nèi)量子效率小于100%。而且，在折射率方面，GaN和空氣分別為2.5和1.0，由于兩者之間，折射率存在較大差異，結(jié)果在多量子阱內(nèi)產(chǎn)生的光，能夠出射到空氣中的臨界角大約是22°左右，導(dǎo)致LED外量子效率非常低。通常，LED的光效提高可以從芯片表面及側(cè)壁入手，目前，已經(jīng)加大了改善LED光效及亮度的研究，F(xiàn)ujii報(bào)道，通過對GaN表面進(jìn)行粗化處理，形成不規(guī)則凹凸，從而減少或者破壞GaN材料與空氣界面處的全反射，可以提高LED的光提取效率[1,2]。

　　本文采用濕法腐蝕方法對GaN材料表面進(jìn)行處理，對其表面形貌進(jìn)行分析同時將其制作成芯片，對其光電性能進(jìn)行了測試。

　　本實(shí)驗(yàn)選用通過MOCVD方法在2英寸藍(lán)寶石襯底上生長的GaN外延片，其波長范圍在465-470nm，選用85%濃H3PO4為腐蝕介質(zhì)，在180℃-230℃ 之間，將GaN材料腐蝕5-20分鐘。采用SIGNATONES-1160顯微鏡觀察不同溫度及不同腐蝕時間對表面形貌的影響，尋找優(yōu)化的腐蝕條件，同時將經(jīng)過表面處理的外延片制作成325um×375um的芯片，測試并對比其表面粗化前后光電性能變化。

圖1及圖2分別給出了在180℃和195℃下，H3PO4腐蝕GaN材料的表面形貌，我們發(fā)現(xiàn)H3PO4在初始沸騰狀態(tài)時（165℃），其對GaN材料并沒有明顯腐蝕跡象，說明該條件下，H3PO4對GaN材料的腐蝕甚微，而當(dāng)H3PO4的溫度上升至180℃，GaN材料表面開始出現(xiàn)凹坑，而且比較稀疏。從圖2中可以看到當(dāng)GaN材料在195℃熱H3PO4中腐蝕5分鐘后，材料表面凹坑較濃密。

　

圖1. 180℃ H₃PO₄腐蝕GaN 5min

圖2. 195℃ H₃PO₄腐蝕GaN 5min

圖3. 210℃ H₃PO₄腐蝕5min P型及N型GaN形貌

　　圖3給出了已刻蝕MESA平臺圖形的GaN材料，在210℃熱H3PO4中腐蝕5min后的表面形貌，從圖中我們可以看到，平臺上的P型GaN表面的凹坑較小而且濃密，而平臺下面的N型GaN表面的凹坑較大且較稀疏，導(dǎo)致該差異的主要原因取決于GaN材料的極性，圖4給出了GaN材料的極性結(jié)構(gòu)圖，通常Ga極性的GaN其表面不容易被腐蝕，而N極性的GaN表面較容易被腐蝕，主要原因是由于在腐蝕過程中，N極性結(jié)構(gòu)中的N原子容易被腐蝕介質(zhì)中的離子吸附解離，而Ga極性結(jié)構(gòu)則相反，導(dǎo)致較難腐蝕[3,4]。同時我們觀察到所出現(xiàn)的凹坑呈六邊形結(jié)構(gòu)，該現(xiàn)象主要與GaN材料的六方形晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)。

圖4. GaN的極性結(jié)構(gòu)圖

圖5給出了195℃不同腐蝕時間P及N型GaN表面形貌，從圖中我們可以看出，在腐蝕時間較短的情況下，P型與N型GaN表面腐蝕凹坑尺寸差異不大，但是當(dāng)延長腐蝕時間后，P型GaN表面的凹坑變化較小，而N型表面的凹坑尺寸明顯增大。

(a) 10min

(b) 20min

圖5.195℃不同腐蝕時間P及N型GaN表面形貌

　　將經(jīng)過熱H3PO4腐蝕過的GaN材料制備成325um×375um的芯片，對其光電性能進(jìn)行測試。圖6與圖7是芯片在點(diǎn)亮前后的照片，從圖中可以看到，粗化后的GaN材料制成芯片后，其P電極及整個電流擴(kuò)展層表面較粗糙；芯片在5mA下點(diǎn)亮后，發(fā)現(xiàn)其電流可以擴(kuò)展均勻，并未產(chǎn)生局部發(fā)光現(xiàn)象。

　　　

圖6.195℃ H₃PO₄腐蝕5min芯片的表面形貌

圖7.芯片在5mA下點(diǎn)亮的表面形貌

　　表1給出了芯片的光電性能，從表中可以看到在20mA點(diǎn)亮后，雖然粗化后的芯片正向電壓從3.3V升到3.7V，反向電流由0.01uA升至0.3uA，但是其亮度由未粗化的51mcd升高到粗化后的64mcd，經(jīng)過外延粗化后，芯片的光提取效率提高24%，其主要原因是P型GaN表面粗糙度增大，減弱光在GaN材料內(nèi)部的多次反射，折射及吸收；而芯片的正向電壓的提高可能是由于P型GaN表面粗糙度增大，同時表面透明電極較薄，導(dǎo)致透明電極的不連續(xù)性，從而影響電流的傳輸，使芯片的正向電壓有較大的提升；反向電流的提高是由于長時間的高溫腐蝕可能會造成外延片局部腐蝕嚴(yán)重而產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，因此有待于進(jìn)一步優(yōu)化腐蝕條件或者采用較厚的ITO透明電極進(jìn)行測試。

表1.芯片的光電性能參數(shù)比較

1.采用熱的85％H3PO4可以濕法粗化GaN，優(yōu)化的腐蝕條件為：溫度：195 ℃；時間：5分鐘。

2.由于P型GaN與N型GaN的極性差異，導(dǎo)致P型比N型GaN較難粗化。

3.濕法粗化后的GaN基LED芯片，亮度提高了24%，但是正向電壓從3.3V提高到3.7V，這有待于采用ITO作為透明電極進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

[1]. Hung-Wen Huang, C. C. Kao, J. T. Chu, H. C. Kuo, et al. Improvement of InGaN–GaN Light-Emitting Diode PerformanceWith a Nano-Roughened p-GaN Surface. PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.17,pp.983-985,2005。

[2]. T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, E. L. Hu, S. P. DenBaars, and S. Nakamura. Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening.Appl.Phys.Lett，vol.84,pp.855–857,2004。

[3]. D. Zhuang, J.H. Edgar. Wet etching of GaN, AlN, and SiC: a review. MSE R48 (2005) 1–46

[4]. P. Visconti,D.Huang,et al. Investigation of defects and surface polarity in GaN using hot wet etching together with microscopy and diffraction techniques. MSE B93(2002) 229-233。

作者簡介:

　　王立達(dá)，1979年生，畢業(yè)于大連理工大學(xué)電化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)工作于大連路美芯片科技有限公司，從事半導(dǎo)體發(fā)光二極管的研究開發(fā)工作。