蒋雷 谢超
成都中电熊猫平板显示科技有限公司
摘要：本文利用了湿法腐蚀对蓝光LED外延片进行了表面粗化。研究了粗化温度、粗化浓度以及不同药液对LED器件的相关性能的影响，分别对I-V特性曲线、亮度和主波长进行了测试，比较了不同粗化条件的LED亮度和电流特性变化。测试结果表明温度为60℃浓度20%的KOH溶液中，腐蚀60s得到的LED芯片平均发光效率较同等条件下多加2.38%浓度显影液的器件提高了32.45%，发光效率达到要求。
关键词：表面粗化；湿法腐蚀；GaN基蓝光LED；发光效率
1引言
近几年发光二极管的发展越来越迅速，但GaN基蓝光LED低下的外量子效率对其在半导体照明领域里的发展限制也越来越明显。本论文主要针对如何提高蓝光LED的发光效率进行了研究。通过对GaN基蓝光LED的表面粗化，改变了满足光全反射定律的光传播方向，提高了LED的出光效率。
2表面粗化原理
表面粗化采用湿法刻蚀，湿法刻蚀是一种传统的刻蚀方法[1-2]。具有操作简单、设备要求低、易于批量生产、蚀刻选择性好等优点。但化学反应的各向异性较差，横向钻孔得到的刻蚀轮廓为圆弧[3]。这不仅改变了图形的轮廓，而且使精确控制图形变得困难。湿蚀刻的另一个问题是掩模在溶液中容易被破坏，特别是在较高的温度溶液中，这使得掩模无效。因此，对于只有在这种条件下才能蚀刻的薄膜，必须采用更复杂的掩模方案。
湿法腐蚀早期用NaOH溶液来对GaN进行腐蚀，然而大量的实验表明NaOH溶液、的腐蚀速率很慢，而N极性氮化镓腐蚀比Ga极性氮化镓腐蚀更有效。因此，本实验利用LED晶片的垂直结构来腐蚀N极性氮化镓。
因为Ga极性的GaN表面在KOH溶液中的化学性质非常稳定,几乎不被蚀刻，这是因为Ga极性面最外面的Ga原子被溶液中的OH-离子反应掉后，露出的N原子具有3个带负电的悬挂键，这三个悬挂键对OH-离子具有排斥作用，阻止了蚀刻的迸一步发生。而N极性的n-GaN表面附近的Ga原子被OH-离子反应掉之后，此时，暴露的N原子只有一个带负电荷的挂键。对于OH-的排斥作用没有那么强烈，从而使OH-离子能够继续与表面附近的Ga原子发生反应，于是蚀刻就能持续不断的进行下去。其反应原理如式1，其中KOH先是作为上述反应的催化剂，后又作为Ga（OH）3的溶解剂。
2GaN+6OH-=2Ga(OH)3+N2↑ （1）
3实验结果与分析
本次实验使用GaN基蓝光发光二极管垂直芯片作为实验材料，用氢氧化钾溶液和Z238显影液对LED外延的N极性面进行湿法粗化。
3.1 粗化实验
本次试验首先考虑浓度对粗化的影响，其次考虑温度和不同溶液对粗化的影响。粗化?案如表1所示。
3.2 光电性能分析
（1）温度的影响。本实验进行了1、2、3号的实验。有图1知，在浓度为20%KOH溶液中，随着温度的升高，VF值也在上升。外量子效率(EQE)、光通量（Φ）和发光效率均随温度的升高而降低。
（2）浓度的影响。2、4、5号试验片在70℃，腐蚀时间1分钟的条件下，分别与20%、30%、40%浓度的KOH反应。由图2看出，随着浓度增加，发光效率和光通量上升，但在20%~30%浓度之间光通量的上升幅度比较校外量子效率在30%的浓度下达到最大值。VF值随浓度增加而降低，在20%~30%之间略有下降，在30%到40%之间急剧下降。
（3）药液的影响。1号实验是在60℃下，用20%浓度的KOH溶液粗化1分钟。6号试验是用浓度2.38%的显影液粗化30分钟。7号试验则是先用20%的KOH溶液粗化一分钟，再用2.38%的显影液粗化30分钟。由图3可知，外量子效率在用显影液粗化的条件下最大，其次是用KOH和显影液的条件。而VF值、发光效率和光通量则是显影液条件下的点测值最校
分别挑选出两粒各个条件下的芯粒，进行连续点测，点测数据描绘成折线图4，由图可知VF和光通量图呈上升趋势，而发光效率图呈下降趋势。因此可知，在浓度为20%，温度为60℃的KOH溶液中，腐蚀一分钟得到的样品片光电性能较之其他条件最好。5号样品电压低，外量子效率较高，光通量最高，发光效率也最好，单从光电性能来考虑，5号的光电性能最好。
4结论
本研究主要研究了在N极性GaN层表面制备微结构的机理，考虑到全反射现象，在量子阱与外部空气的界面激发光子时，大量光子仍然可以发射，有利于制造粗糙结构，提高LED器件的光电性能。
参考文献：
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[2] 周龙早.半导体照明封装的热量管理及失效分析研究[D].华中科技大学，2010.
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[4] 王迪.诱导坑制备及其对宏孔硅光电化学腐蚀的影响[D]. 长春理工大学，2016.
[5] Mutalipu Tolhong. FeGa thin films prepared by pulse laser deposition and their magnetic properties [J]. Shanghai normal University, 2018.
蒋雷（1982-），男，成都中电熊猫显示科技有限公司第一工厂阵列制造部部长，研究方向：信息显示技术。
谢超（1988-)，男，成都中电熊猫显示科技有限公司.
论文作者:蒋雷 谢超
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：溶液论文; 浓度论文; 效率论文; 显影液论文; 极性论文; 光通量论文; 表面论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;