引言
我們證明了四甲基氫氧化銨溶液對不同取向的晶片側壁具有不同的刻蝕能力，因為晶片側壁的取向決定了氮化鎵(GaN)暴露的晶面，這些晶面對四甲基氫氧化銨溶液具有不同的化學穩定性。TMAH刻蝕處理後，在暴露m面氮化鎵的側壁上觀察到三稜鏡。對於所研究的具有正交排列的兩種型別的發光二極體，與具有沿著方向取向的較大側壁的發光二極體相比，具有沿著方向取向的較大側壁的發光二極體在經過TMAH蝕刻處理之後，在光輸出功率方面表現出額外的10%的提高。
介紹
本文旨在探討側壁取向對氮化鎵基發光二極體效能的影響。採用TMAH蝕刻工藝代替KOH蝕刻，因為它可以提供更化學穩定的蝕刻工藝.我們首先研究了不同TMAH刻蝕時間下氮化鎵外延層的表面形貌。根據不同取向側壁的表面形貌，對m面刻面進行了選擇性刻蝕。基於選擇性刻蝕現象，我們製作了兩種長方體發光二極體，一種是兩個較大的側壁平行於藍寶石a面，另一種是兩個較大的側壁垂直於藍寶石a面，以證明側壁取向對於溼法刻蝕發光二極體的重要性。
材料和方法
採用金屬有機化學氣相沉積法在藍寶石襯底的c面上生長氮化鎵基發光二極體。外延結構由20 nm濺射AlN成核層、2.5m厚未摻雜GaN緩衝層、2m厚摻矽n-GaN層、12對In0.02Ga0.98N (2.5 nm)/GaN (3 nm)超晶格層、10對In0.07Ga0.93N (3 nm)/GaN (12 nm)多量子阱(MQW)有源層、20 nm厚p-Al0.2Ga0.8N電子阻擋層組成發光二極體晶片隨後在N2氣氛下在750℃退火，以啟用磷氮化鎵中的鎂受體。
利用基於三氯化硼/氯氣混合氣體的電感耦合等離子體刻蝕氮化鎵外延層，形成檯面結構，暴露出氮化鎵層。然後將樣品浸入85℃的15wt%三甲基氫氧化銨溶液中，在等離子體蝕刻後進行基於三甲基氫氧化銨的結晶蝕刻過程。使用電子束蒸發器在p-GaN上沉積230nm厚的氧化銦錫(ITO)作為p型歐姆接觸，隨後在N2環境條件下在550℃下進行熱退火。接下來，鉻/鉑/金(10奈米/25奈米/1.2米)金屬沉積在氧化銦錫和氮氮化鎵層上，形成磷和氮電極；最後，將紫外發光二極體晶片減薄至約130米，切割成尺寸為712米× 254米的晶片。紫外發光二極體的峰值波長為395奈米。使用經過校準的積分球和半導體引數分析儀(美國加利福尼亞州聖羅莎的Keysight B2901A)測量了紫外發光二極體的光輸出功率-電流-電壓特性。
圖1。(一)不同側壁取向的ⅰ型和ⅱ型發光二極體示意圖。
(二)製作的發光二極體晶片的掃描電鏡影象。
結果和討論
用TESCAN MIRA 3 LMH場發射掃描電子顯微鏡(掃描電鏡，TESCAN，研究了不同TMAH刻蝕時間下外延層的形貌。如圖所示2a .選擇標記的角點來顯示TMAH蝕刻後的形貌變化，因為角點結構呈現出具有三個垂直側壁的更多形貌資訊。在所研究的TMAH蝕刻時間內，沿方向(暴露的m平面)在側壁上觀察到三稜柱結構，而在p-GaN的頂面(暴露的+ c平面)和沿方向(暴露的a平面)的側壁上沒有出現這種結構。這一現象表明TMAH溶液對暴露的晶面具有不同的刻蝕能力。TMAH腐蝕始於氫氧離子與帶正電荷的鎵懸空鍵的連線，而相鄰的帶負電荷的氮懸空鍵會阻止氫氧離子接近鎵原子。
因此，每個晶面上N個懸空鍵的密度決定了TMAH溶液的刻蝕能力。如前所述，N個懸空鍵的密度可以排序如下:+c面> a面> m面.N個懸空鍵的計算密度表明，在列出的三個晶面中，TMAH對m面的刻蝕能力最大，這可能解釋了為什麼TMAH刻蝕沒有發生在p-GaN的頂面和a面側壁上。m面側壁上三稜鏡的尺寸和密度隨TMAH刻蝕時間的不同而不同。如圖所示，在1分鐘的短TMAH蝕刻時間下，在n-GaN的整個m面側壁上形成微型稜鏡2c.增加TMAH蝕刻時間導致微型稜鏡聚結產生更大的三稜鏡(圖2d–f)。然而，當TMAH蝕刻時間超過7.5分鐘時，三稜鏡的密度隨著TMAH蝕刻時間的增加而降低(圖2g，j)。40分鐘的TMAH蝕刻處理最終導致三稜柱消失(圖2k)。有人提出，對於給定的蝕刻劑濃度和溫度，三角稜鏡的密度與蝕刻時間成一級反比，因為溼化學蝕刻被證明是一級反應，這意味著蝕刻速率也與稜鏡的密度成反比。
圖2。(a)第二類發光二極體晶片的掃描電鏡影象，選擇標記的角來顯示TMAH蝕刻後的形態變化。(b–k)不同刻蝕時間的標記角掃描電鏡影象:(b)0min；1分鐘；2.5分鐘；5分鐘；7.5分鐘；10分鐘；15分鐘；20分鐘；30分鐘；和45分鐘。
如圖所示，蝕刻時間為2.5分鐘的ⅰ型發光二極體的掃描電鏡影象進一步證明了選擇性蝕刻現象4。我們選擇具有不同取向的側壁來說明m平面側壁的選擇性蝕刻。數字4a是六方纖鋅礦結構的GaN晶胞投影，因為我們主要聚焦，所以只畫出了m面和a面。
圖6。(a)有和沒有TMAH蝕刻處理的長方體幾何形狀發光二極體的L-I-V特性。(b)有和沒有三甲基甲烷蝕刻處理的長方體形狀發光二極體的遠場發射模式。
結果
綜上所述，我們研究了紫外發光二極體的TMAH刻蝕工藝。TMAH選擇性蝕刻暴露的氮化鎵m面側壁，在側壁形成三稜鏡。透過改變晶片側壁的取向，可以改變暴露的晶面，因此，可以調整由TMAH蝕刻產生的紋理化側壁。對於我們在實驗中研究的長方體形狀的發光二極體晶片，具有較大m面側壁的發光二極體晶片在TMAH蝕刻後給出了最佳的光輸出功率。我們的工作揭示了溼法化學刻蝕發光二極體中側壁取向的重要性，這對高效能發光二極體的大規模生產具有重要意義。
