Si(111)上的微棱锥垂直紫外GaN/AlGaN多量子阱led

摘要

通过选择性面积的生长制造Si（111）衬底上的微杂氮垂直GaN的紫外（UV）发光二极管（LED），以减少穿线脱位和偏振效应。由于底部位错的漏电流和非频率脱位（TDS）在金字塔的六个平面下，在较低电流下，金字塔的底部和六个平面上没有发光。金字塔的顶部是高亮度区域。微滤网UV LED在小电流注入下具有高光输出强度，单位面积的串联电阻仅是传统垂直LED的四分之一，因此微滤网UV LED将在驱动电路下具有高输出功率。单个微嘧啶UV LED的反向泄漏电流在-10V -10 V.

1.介绍

III型氮化物基发光二极管(led)由于其在固态照明、通信、杀菌、消毒、水或空气净化和生物化学等领域的潜在应用而受到广泛关注[1-7.]．基于GaN的LED覆盖范围紫外（UV），整个可见光和近红外光谱（6.2eV〜0.7eV），由于铟或铝的不同组成[2]．gan基可见光led的市场化已被AlGaN紫外led取代，成为下一个研究热点。目前，异质外延技术是采用金属-有机化学气相沉积(MOCVD)体系制备AlGaN UV LEDs的方法，但作为高温异质外延方法，存在晶格和热失配等问题[2那8.那9.]．外延层中螺纹位错(TDs)的高密度是由于材料参数在界面上的步进[10.]．TDS中的非抗动性重组中心降低了内部量子效率（IQE），其演变为UV LED损坏的热中心[8.]．对于较低的TDs，提出了预沉积AlN/AlGaN和选择性面积生长(SAG)两步生长过程[10.]．由于晶体生长、芯片加工和封装技术的发展，365 nm、385 nm和405 nm的NUV-LEDs的外部量子效率(EQE)分别达到30%、50%和60% [6.]．然而，电子 - 孔波函数的间隔分离的极化效果也极大地影响了LED的IQE [11.]．非极性平面减小了自发极化和压电极化引起的量子约束斯塔克效应[12.那13.]．Zhao等人在279 nm的平面gan基多量子阱(MQWs)中实现了高达39%的IQE [14.]．随着晶体生长技术的快速发展和半导体制造工艺的改进，Si(111)微棱锥型GaN基紫外发光二极管(UV LEDs)可以通过表面弧光(SAG)改善EQE，这归因于:(1)横向生长GaN晶体质量高[15.]，(2)金字塔结构的半极面[12.]，以及(3)金字塔的六个面更大的发射面积。然而，其相关的研究工作却鲜有报道，尤其是单电驱动氮化镓基UV LED。

因此，在本工作中，采用选择性面积生长技术在Si(111)衬底上制备了微棱锥垂直氮化镓基UV LED。金字塔顶端的六个半极面由于降低了TDs和较低的极化效应而大大提高了EQE。微棱锥型UV LED在小电流注入下具有较高的光输出强度，单位面积串联电阻仅为传统垂直LED的四分之一。利用这些特性，微棱锥型UV LED可以作为超小型UV光源，具有较高的输出功率。单电驱动微锥体UV LED在−10 V下的反向漏电流为2 nA。微棱锥垂直gan基UV LED的顶部是一个高亮度区域。然而，由于泄漏电流、底部位错的非辐射复合以及金字塔六个平面的90°TDs，金字塔的平面和底部不发光。

2.实验

在低压MOCVD系统中，在2英寸Si（111）上进行微嘧啶UV LED生长。垂直结构旨在减少当前拥挤，如图所示1（a）．n型Si的电阻率小于0.02Ω·cm。在外延生长之前，除去Si（111）平面上的杂质和氧化物，用H顺序清洁N型Si₂所以_4.: H₂O.₂: H₂O = 3:1: 1，丙酮溶液，异丙醇溶液。n-AlGaN/AlN: Si薄膜在1095℃下在Si衬底上生长。随后，100nm厚的非晶硅₂通过等离子体增强的化学气相沉积（PECVD）在AlGaN / AlN / Si上沉积层。之后，SiO的面具₂5.0 - - - - - -μ直径m的窗口开口与60μm周期采用湿法蚀刻(HF: H₂o = 1: 10)。清洗后,SiO₂/AlGaN/AlN/Si再次用于n型氮化镓基微锥体的外延生长。GaN在窗区凹陷处的生长属于二次外延，且GaN在窗区自图纹SiO窗后迅速生长₂mask暴露了AlGaN层。镓原子没有停留在非晶硅上₂由于GA-O的高温分解和杂肝的较大成核能量导致的面罩。然而，GA原子横向地迁移到窗口区域以进行横向生长，最终愈合到顶部的点并形成N型GaN基金字塔结构。在六个半机飞机上生长了三对AlGaN / GaN MQW {1然后生长出p型AlGaN/GaN: Mg。Ga、Al和N元素由三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨(NH)提供_3.）， 分别。

微棱锥LED在窗区生长的详细情况见表1．

扫描电子显微镜(SEM)图像图1（b）和1 (c)结果表明，6个半极性平面的微锥体是对称的、光滑的。底部直径(20μM)，由于侧向生长，微锥体比掩膜窗口大得多。{1(0001)晶面为62°。在微锥体LED上沉积250 nm厚的氧化铟锡(ITO)薄膜作为透明导电层(TCL)，然后在550℃下在氮(N)中热退火30 min₂)环境。通过电子束蒸发和在380℃下在氮气下在380℃下快速热退火，在n型Si上堆叠Ti / Ausb / Au（10nm / 20nm / 200nm）金属在380℃下堆积35秒（n₂)环境。更详细的结构如图所示1（a）．以这种方式，单电驱动微棱锥垂直氮化镓基UV LED被制造出来。

3.结果与讨论

为了研究微滤网UV LED的电性能，通过Agilent B1500A测量电流 - 电压（I-V）特性，I-V曲线如图所示2(一个)．曲线显示由于微滤网N-GaN / N-AlGaN和P-AlGaN / P-GaN层引起的典型P-N结的I-V特征。导通电压和串联电阻为~2.5 V和5.2×10^3.分别Ω。单位面积串联电阻仅为垂直led的四分之一[16.]．这种属性实际上导致了高的光输出功率。在生长和高质量的欧姆接触中掺杂导致低电阻。在−10 V下，微锥体UV LED的反向漏电流为2na。由于微锥体氮化镓释放了晶格失配引起的局部应力，且位错密度较低，因此在紫外发光二极管中存在少量反向漏电流通道。工作照片如图所示2 (b)，单微棱锥UV LED位于高亮度区域的中心。

数字3.显示微嘧啶UV LED的电致发光（EL）光谱从2至7 mA的各种电流工作。微滤网UV LED在小电流注入下具有高光输出强度。

在正偏压下，电子穿过AlGaN/GaN MQWs层，通过辐射复合与p-GaN层中的空穴重新结合。EL曲线显示出365 nm和386 nm的发射峰，这些发射峰来自GaN/AlGaN MQWs和p-GaN层的发射[8.),分别。386nm的峰高于365 nm的峰，这是因为Al的势垒中有Al的成分_0．06遗传算法_0.94N/GaN MQWs低，p-GaN可吸收365 nm光[17.]．

图中的插图3.显示了分别注入电流为0.2 mA和2 mA时微棱锥UV LED的光学显微镜照片。微棱锥UV LED的光分布在顶部、底部六个角和边缘，这是由于金字塔顶部的高辐射复合效率[18.-20.]．金字塔的顶端是一个高亮度区域，这是由于较低的TDs、较低的偏振效应和六个半极性面较大的发射面积。然而，由于金字塔底部位错的非辐射复合和金字塔六个面90°TDs的非辐射复合，金字塔底部和六个面在低电流下不发光。底部和六边的光来自顶部的金字塔结构波导的发射[21.那22.]．随着注入电流的增加，顶部的发射逐渐向底部扩散。

微锥体UV-LED的EL光谱如图所示3.，波长的波长为365nm和386nm的峰值显示出红移随着注射电流的增加。为了更容易参考，365nm和386nm附近的峰值分别被命名为第一峰和第二峰。峰值位置和喷射电流之间的关系已经显示在图中4.．

如图所示4.，由于电流的热效应，两个峰的波长随着喷射电流的强度而增加。

在200 - 800k温度范围内，GaN的带隙可以用Varshni方程表示为[23.那24.]． 在哪里（0. K.) = 3.495 eV为GaN at的能带隙T.= 0K.;α= 0.94 me V/K为经验常数;和β= 791 K与德拜温度有关[24.]．方程(1)表明电流的热效应会导致带隙减小，从而导致EL谱峰的红移。

另一方面，导带态密度和费米能级随注入电流强度的增大而增大，并导致EL谱峰的蓝移。这两种因素的共同作用导致了365 nm和386 nm波长的峰的红移。

4.结论

总之，在低压MOCVD系统中，SAG在2英寸n-Si(111)上制备了微棱锥垂直gan基UV LED。金字塔的顶端是高亮度区域，这是由于较低的TDs，较低的偏振效应，以及六个半极性面较大的发射面积。然而，由于金字塔底部的泄漏电流和位错的非辐射复合以及金字塔六个面上的90°TDs，在低电流时，金字塔底部和六个面没有发光。单个微棱锥型UV LED的通断电压、串联电阻和反向漏电流为~ 2.5 V, 5.2 × 10^3.−10 V时，分别为Ω和2na。单位面积串联电阻仅为传统垂直LED的四分之一，微棱锥型UV LED在小电流注入下具有较高的光输出强度。这意味着微棱锥型UV LED可以作为超小型UV光源，在小电流注入下具有较高的输出功率。此外，还解释了电能谱中365 nm和386 nm波长的峰随注入电流的增加而红移的原因。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

广东省重点研发计划项目(no. 2019B010132001、no. 2019B010132003);国家自然科学基金和澳门科技发展基金联合资助项目(no. 2019B010132003);国家重点研发计划(no. 2016YFB0400105、no. 2017YFB0403001)和中山大学宽带隙半导体电力电子珠海重点技术实验室(no. 2016yfb0403001)资助。20167612042080001)。

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