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引言
氮化镓发光二极管是异质外延生长在不同的衬底上，如蓝宝石和碳化硅，因为生长块状氮化镓有困难。蓝宝石是最常用的衬底，因为它的成本相对较低。然而，由于外延氮化镓薄膜和蓝宝石衬底之间晶格常数和热膨胀系数的巨大失配，在平面蓝宝石衬底上生长的氮化镓导致高密度的位错缺陷(10±10厘米)。
我们研究了氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)对性能增强的反应机制，其生长在化学湿蚀刻图案蓝宝石衬底(CWE-PSS)上，该二极管在顶部表面具有v形坑特征。根据温度依赖的光致发光(PL)测量和测量的外部量子效率，该结构可以同时提高内部量子效率和光提取效率。
实验
蓝宝石衬底上的蚀刻图案是排列的六方孔阵列。在这里，我们使用硫酸和磷酸的混合溶液(HSO：HPO)在300℃的工作温度下蚀刻蓝宝石基底。CWE-PSS的制造细节可以在其他地方找到。图1(a)中显示了CWE-PSS的俯视图扫描电镜图像。单个孔的直径为3m，晶格常数为7m。蚀刻孔深度为0.5m，中心为三角形平面，被三个平面面包围。然后在低压金属-有机化学气相沉积CWE-PSS上培养LED结构。三甲基镓(TMGa)、三甲基钠(TMIn)和氨(NH)分别作为Ga、In、N前体，双环戊二烯镁(CpMg)和硅烷(SiH)作为p型和N型掺杂源。
本方法采用了两种不同的p型氮化镓包覆层生长温度，1050℃和800℃。在氮化镓层的低生长温度下(即800℃)下，在LED表面的上表面可以看到大量的v形凹坑。在这些p型覆层的生长过程中，在不同的生长温度下调整CpMg流量，使所有样品中相同的Mg掺杂浓度约为3×1017cm-3。发光二极管是传统的发光二极管，其生长在平面蓝宝石衬底上，并具有在1050℃生长的p型氮化镓的平坦表面形态。对于发光二极管，镍-金透明接触层被蒸发到p型氮化镓盖层上以用作透明接触层，然后厚的金层被沉积到部分p型氮化镓盖层上以用作p电极。钛-铝-铂-金触点被沉积在暴露的氮-氮化镓层上作为氮电极。LED-B生长在平面蓝宝石衬底上，但具有在800℃生长的p型GaN的粗糙表面形态。LED-C生长在CWE-PSS上，并且还具有在800℃生长的p型GaN的粗糙表面形态。图1(b)–(d)分别示出了LED-A、LED-B和LED-C的最终结构的示意图。
图1 CWE-PSS的俯视扫描电镜图像
总结和讨论
形凹坑粗糙表面：用扫描电镜研究了生长温度对p型氮化镓表面形貌的影响。图2显示了LED-A、LED-B和LED-C的表面形貌的SEM图像，在图2(a)中，可以清楚地看到LED-A的表面相当平坦，并且包含非常少的六边形凹坑。这些六边形凹坑起源于量子阱中所谓的V形凹坑。由InGaN和GaN层之间的晶格失配引起的应变以及由于MQWs中相对低的生长温度(700℃)引起的表面迁移率的降低是MQWs中V形凹坑形成的驱动力。多量子阱中V形坑的形成主要是为了释放TD缺陷周围InGaN/GaN材料异质外延诱导的高应变能。因此，每个V形坑的底部总是与一个TD缺陷相连，并且MQWs中V形坑的密度几乎与TD缺陷的密度相等。然而，随后在1050℃生长的p型氮化镓完全填满了多量子阱中的V型坑。因为在如此高的生长温度下提供了足够的表面迁移率。因此，在图2(a)中观察到平坦的p型氮化镓表面。对于发光二极管B和发光二极管C，在p型氮化镓的生长过程中，我们通过将生长温度降低到800℃来降低迁移的镓原子的表面迁移率。由于镓原子迁移到适当位置的能量不足，氮化镓的横向生长速率将小于氮化镓的垂直生长速率，并且在p型氮化镓中与在多量子阱中一样，基本上形成了V形凹坑轮廓。
内部量子效率：为了阐明CWE-PSS增强的起源，我们用透射电镜研究了生长在CWE-PSS (LED-C)和平面蓝宝石衬底(LED-B)上的发光二极管的晶体质量。对于生长在平面蓝宝石衬底(LED-B)上的LED，GaN/ sap- phire界面和MQWs区域的截面TEM图像分别显示在图5(a)和(B)中。可以看到位错缺陷线束从氮化镓/蓝宝石界面垂直辐射到多量子阱区。如图5(c)和(d)所示，在CWE-PSS (LED-C)上的薄膜的结晶学是完全不同的，图5(C)和(d)分别示出了在CWE-PSS (LED-C)上生长的LED的GaN/蓝宝石界面和MQWs区域的横截面TEM图像。如图5(c)所示，沟槽区内存在大量堆垛层错。堆垛层错的形成可能是由于在GaN缓冲层的初始生长过程中从脊区开始覆盖沟槽区的同质外延横向生长，导致沟槽区上的高晶体质量。这些堆垛层错与垂直穿透位错相互作用，使它们水平弯曲。因此，更少的穿透位错可以穿透到有源区，这意味着在CWE-PSS上生长的发光二极管-碳的高晶体质量。
光提取效率：发光二极管-A、发光二极管-B和发光二极管-C的集成输出光功率与驱动电流的关系曲线如图10所示。在我们所有的测量条件下，生长在CWE-PSS上并且顶面有V形凹坑的发光二极管-C产生的光输出比发光二极管-A和发光二极管-B高得多。注入电流为20 mA时，发现这些发光二极管的电致发光峰都出现在465纳米左右，因为使用了完全相同的MQW结构。
总结
我们研究了生长在V型CWE-珀塞尔晶体上的氮化镓基发光二极管的晶体学和光学特性和顶面上的凹坑特征。由于在GaN初始横向生长过程中CWE-PSS诱导的堆垛层错有效地阻挡了位错，因此发现穿透位错的密度从1.28±10厘米显著降低到3.62±10厘米。因此，获得了63%的高内部量子效率，这通过随激发激光功率变化的温度相关的光致发光强度来测量。通过使用抛物面自相关函数，由V形凹坑组成的粗糙化表面可以被认为是强漫射体，这导致光提取效率提高了20%。此外，由于CWE-PSS能够有效地将引导光衍射到发光二极管芯片的逃逸锥中，光提取效率额外提高了7.8%。所有上述有利机制的组合提供了外部量子效率的45%的显著提高，并且证明了与顶面上的V形凹坑组合的CWE-PSS是下一代照明源的有前途的结构。