等離激元和隨機(jī)粗化結(jié)構(gòu)在氮化鎵表面的制備與應(yīng)用.pdf

1、氮化鎵基發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)在最近二十年得到了廣泛的關(guān)注,在許多領(lǐng)域具有非常誘人的應(yīng)用前景,例如固態(tài)照明,顯示器背光源和交通信號(hào)燈。但是,這些氮化鎵LED還是沒有完全滿足要求。其中一個(gè)主要的原因就是薄膜質(zhì)量較差和外延層的結(jié)構(gòu)限制了內(nèi)量子效率。另外一個(gè)因素是提取效率方面也有所限制,這方面原因是因?yàn)榈壍恼凵渎屎芨?～2.5),根據(jù)全反射定律,只有很少一部分(～4%)光能從傳統(tǒng)LED中提取出來,大

2、部分光子被限制在管芯內(nèi)部最后被吸收掉轉(zhuǎn)換成熱量。在過去的十年里,為了增加LED的內(nèi)量子效率和提取效率,國際上許多課題組開展了大量的工作,發(fā)展了許多方法,其中包括利用表面等離子體與半導(dǎo)體之間的耦合、芯片形狀改變、共振腔、表面粗化、光子晶體和圖形化襯底技術(shù)。在這些方法中,表面粗化和表面等離激元的耦合是最經(jīng)濟(jì)而且容易與目前的LED工藝集成的技術(shù)。
　　為了實(shí)現(xiàn)表面等離激元與LED之間的耦合,首先需要在氮化鎵薄膜上生長等離激元納米結(jié)構(gòu)。而

3、表面粗化技術(shù)要求發(fā)展可控的氮化鎵濕法刻蝕方法。所以本論文主要闡述了下面幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　(1)在這篇碩士論文中,首先闡述一種在氮化鎵表面生長銀納米結(jié)構(gòu)的光化學(xué)方法,氮化鎵的摻雜類型和載流子濃度在銀納米結(jié)構(gòu)的生長中扮演了重要作用。在n型氮化鎵上,光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物是均勻的橢球形銀納米顆粒。銀納米顆粒的局域表面等離子體與限制在氮化鎵和藍(lán)寶石界面處的光子相互耦合,形成Fabry-Perot類型的表面等離子共振。降低硝酸銀的濃度會(huì)產(chǎn)生銀納

4、米枝晶結(jié)構(gòu),在溶液中加入乙醇能增加枝晶結(jié)構(gòu)的密度。對(duì)于p型氮化鎵,光化學(xué)產(chǎn)物是銀納米方塊,截角八面體,納米八面體這些銀多面體納米結(jié)構(gòu),多面體的形狀可以通過調(diào)節(jié)硝酸銀溶液的濃度得到精確控制。據(jù)我們所知,這是第一次報(bào)道銀納米多面體可以在沒有表面活性劑的情況下在室溫生長得到。我們認(rèn)為這是p型氮化鎵的表面態(tài)將銀納米結(jié)構(gòu)生長過程中的成核和生長過程分離開來,導(dǎo)致了各向異性納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。
　　(2)優(yōu)化改進(jìn)了垂直結(jié)構(gòu)LED的表面粗化技術(shù)。氮極

5、性的n型氮化鎵表面可以通過簡單的光化學(xué)方法來粗化,腐蝕之后在表面產(chǎn)生六面體錐形結(jié)構(gòu)。隨著腐蝕時(shí)間的延長,六面體錐形結(jié)構(gòu)的密度減少,尺寸增大,但是始終有些區(qū)域保持光滑。在我們的實(shí)驗(yàn)中通過在腐蝕液中添加K2S2O8解決了這個(gè)問題,在KOH-K2S2O8中腐蝕氮極性的n型氮化鎵,表面產(chǎn)生全覆蓋的錐形結(jié)構(gòu),相互之間沒有空隙。當(dāng)腐蝕液中的KOH濃度降低到0.1M時(shí),腐蝕產(chǎn)生的六面體錐形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成半橢球形。而且,半橢球形還是覆蓋整個(gè)薄膜表面。調(diào)節(jié)K

6、OH的濃度可以控制粗化結(jié)構(gòu)的形貌,這可以應(yīng)用在對(duì)輸出光場分布的調(diào)控上。
　　(3)我們發(fā)展出一種簡單的金屬輔助光化學(xué)方法來制備納米多孔p型氮化鎵,從而粗化LED外延片增加提取效率。在此之前,p型氮化鎵在室溫下的濕法腐蝕一直沒有得到有效地解決。我們發(fā)現(xiàn)在p型氮化鎵表面先沉積一層金屬納米顆粒,然后再在HF-K2S2O8溶液中腐蝕,就可以使p-GaN粗化成納米多孔結(jié)構(gòu)。粗化后的表面使得量子阱中產(chǎn)生的光子有效地散射到外界。光化學(xué)腐蝕10m

7、in之后,在20mA的注入電流下,LED輸出光功率增加了32.7%,工作電壓相對(duì)傳統(tǒng)LED也沒有什么變化。但是腐蝕20min之后,器件的性能相對(duì)10min腐蝕的樣品有所下降,工作電壓上升,我們認(rèn)為這是由于電流阻塞效應(yīng)和表面復(fù)合速率增加造成的。
　　(4)本篇論文研究了鎵極性的n型氮化鎵和p型氮化鎵的選擇性腐蝕行為,以及利用這種技術(shù)來粗化LED。腐蝕之后產(chǎn)生了三種不同尺寸的腐蝕坑,分別來自三種不同的位錯(cuò)。腐蝕坑的尺寸可以通過腐蝕時(shí)間

8、來調(diào)節(jié),不同溫度下腐蝕坑的密度不一樣,腐蝕坑對(duì)腐蝕溫度的依賴關(guān)系與位錯(cuò)類型有關(guān)。通過熱力學(xué)理論可以解釋這種腐蝕坑密度對(duì)溫度的依賴關(guān)系。P型氮化鎵的選擇性濕法刻蝕可以利用來粗化LED,過長時(shí)間的腐蝕會(huì)在LED外延片上產(chǎn)生臺(tái)階狀的腐蝕坑。
　　綜上所述,本碩士論文研究了在氮化鎵表面制備等離激元納米結(jié)構(gòu)和隨機(jī)粗化結(jié)構(gòu)的方法,以及利用這些技術(shù)提高LED的量子效率。在硝酸銀溶液中通過紫外光輻照就可以在n型氮化鎵上生長得到隨機(jī)分布的銀納米顆粒