湿法化学腐蚀GaP窗口层提高AlGaInP基LED外量子效率的研究

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发光二极管(Light Emitting Diode,LED)是一种新型绿色照明光源,因具有高亮度、低能耗、长寿命等优点而得到越来越广泛的应用。目前,LED芯片的内量子效率已经达到90%以上,但外量子效率却只有5%左右。这是由于LED芯片有源层发出的光大部分会在出光界面处发生全反射,LED芯片的出光效率很低。针对这个问题,人们提出了很多解决方法,包括倒装芯片结构技术、生长布拉格反射层(Distributed Bragg Reflector,DBR)技术、LED芯片外形改变技术、光子晶体技术、表面纳米化金属技术和表面粗化技术等。其中,湿法表面粗化的方法因成本低、操作简单和易于工业化生产而受到企业的青睐。湿法粗化的关键技术是腐蚀溶液的选取。本文针对湿法粗化AlGaIn P基红光LED芯片GaP窗口层的腐蚀溶液进行了研究和探索。(一)选用稀释的强酸为腐蚀溶液。具体的三种腐蚀溶液为:HCl:HNO3:H2O(3:1:4),HCl:HNO3:CH3COOH(3:1:4)和HCl:HNO3:CH3COOH:H2O(3:1:4:8)。测试结果表明:(1)湿法粗化后LED芯片的GaP窗口层出现了不同形状的腐蚀形貌。文中选用的三种腐蚀溶液可以有效的粗化LED芯片GaP窗口层,减少光的全反射,提高LED芯片的外量子效率。(2)粗化前LED芯片亮度的加权平均值是120 mcd,粗化后是165 mcd,湿法粗化使LED芯片的外量子效率提升了37.5%。(二)选用饱和柠檬酸(C6H8O7)和30 wt%H2O2混合溶液为腐蚀溶液。研究了在不同粗化时间、不同体积比和不同反应温度条件下,新型腐蚀溶液湿法粗化对LED芯片光电性能和GaP窗口层形貌的影响。测试结果表明:(1)饱和柠檬酸溶液和30 wt%H2O2的混合溶液可以成功对GaP窗口层产生腐蚀。腐蚀后GaP窗口层表面出现山峦状微结构。(2)在腐蚀时间为1 h、腐蚀溶液体积比C6H8O7:H2O2=1:1,反应温度为60℃时,器件的性能达到最优。此时发光亮度从96 mcd提高到117.5 mcd,外量子效率增加了22.4%。(三)选取有机酸/双氧水体系中的其它腐蚀溶液。具体选取的是:饱和草酸、饱和丁二酸和饱和苹果酸分别和30 wt%H2O2混合,组分体积比都为1:1。测试结果表明:在温度60℃的条件下,三种腐蚀溶液都可以成功的对AlGaInP基红光LED芯片的GaP窗口层进行湿法粗化。其中,饱和草酸(C2H2O4)和30 wt%H2O2的混合溶液刻蚀速度最快,可以有效减少湿法粗化工艺的时间。
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