沟槽填充p型氮化镓可增加InGaN LED输出功率

韩国首尔国立大学和三星电子有限公司已经使用填充有p型氮化镓的沟槽来增加InGaN LED的输出功率。

沟槽的目的是使孔更有效地进入多量子阱(MQW)结构。在传统的LED中,来自顶部p-GaN接触层的孔往往要远离阱顶部,这意味着从阱下部发出的光不会太多。通过沟槽,研究人员希望增加进入设备较深部分的孔的数量(图1a)。

图1(a)常规LED和p型沟槽LED的MQW孔分布
(b)张力存在或消除时,MQW的能带结构

研究人员也希望用沟槽分裂应变材料能减少由III族氮化物极化引起MQW结构中的压电场。张力的出现是由于GaN和InGaN晶体结构之间出现晶格失配。

在量子阱结构中,在内建极化电场的作用下,能带发生倾斜,电子和空穴发生分离,波函数交叠量减少,并转换成光子(图1b),这就是通常说的量子限制斯塔克效应(QCSE)。通过在半极性或非极性晶体取向中生长材料可以避免这种影响,但是通常需要使用昂贵的自立式或大块的GaN基板。

空穴运输差是导致高电流注入时效率下降的其中一个原因。由于大多数的电子-空穴复合发生在一个或两个阱中,非辐射“俄歇”似的起始电流就会降低。此外,电子溢出到p-GaN接触层中的概率大大增加。

用金属有机化学气相沉积法 (MOCVD) 在c面蓝宝石基板上生长的的3nm/12nmInGaN / GaN多量子阱,通过电子束光刻法定义沟槽。有源区发出蓝光。光刻在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)抗蚀剂的100nm涂层上进行。通过电感耦合等离子体蚀刻将形成沟槽的图案转移到MQW结构中,在950℃温度和200Torr压力下,p型GaN填充的沟槽横向生长。

研究人员还尝试了一种选择性湿蚀刻法,在165℃的乙二醇中使用氢氧化钾来形成沟槽,通过增加氧化铟锡(ITO)电流扩散层来测试结构的电致发光。金属接触点为铬/镍。

研究人员估计,没有沟槽的设备排放的光输出功率是具有类似有源区域的LED的约5%。通过干蚀刻产生沟槽增加了光输出,并将蓝移转为较短的波长(图2)。

图2(a)使用电子束光刻和常规结构的p型沟槽结构的光输出功率
(b)电致发光(EL) 和(c)正向和(d)反向电流

1μm时沟槽的光输出最大。研究人员评论道:“这是因为p型沟槽结构也减少了MQW的体积,同时减少了张力和QCSE。因此,为了将光输出功率最大化,重要的是优化沟槽结构体积与剩余MQW体积之间的比率。”

波长位移在500nm时最大–从无沟槽的431nm到420nm,有效的带隙因此从2.76eV增加到2.85eV,这得归功于张力松弛。p沟道对于给定的电压增加了正向电流,而且在反向偏压下增加了泄漏。

沟槽的湿蚀刻也增加了光输出功率,但并没有显著提高。此外,该技术在松弛张力时不是十分有效。电流-电压行为也受湿蚀刻沟槽地影响较小。(编译:LEDinside James)

 

 

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