磷酸和氢氧化钾溶液对 N 面和 Ga 面GaN的化学蚀刻特性

摘要

本文报道了用磷酸或氢氧化钾溶液对镓面和氮面氮化镓进行化学腐蚀的特性。由{10-1-1}面组成的六边形金字塔在氢氧化钾(2M，100℃)蚀刻后出现在N面上。相比之下，使用H3PO4 (85WT%，100℃)溶液中，GaN的氮表面呈现十二边形金字塔。当分别使用H3PO4或氢氧化钾溶液时，十二边形和六边形金字塔重复出现在蚀刻表面上。低浓度的H3PO4 (H3PO4:去离子水= 1:32，1:64)产生了十二边形和六边形金字塔共存的粗糙表面。与未蚀刻表面相比，由于多次散射事件，蚀刻表面的光致发光强度显著增加。因此，本研究中开发的蚀刻技术被证明可以提高发光二极管的光提取效率，避免等离子体蚀刻方法对氮化镓的破坏。

介绍

由于根据Snell定律GaN (n = 2.5)和空气(n = 1)之间的折射率差异，GaN LEDs具有非常小的临界角(~23.6 ℃) 当GaN和空气之间的界面非常平坦和宽时，据报道只有4%的产生的光子能够逸出表面已经开发了许多方法来解决这个问题， 包括使用光子晶体结构、渐变折射率层和图案化蓝宝石衬底。在这些方法中，湿化学蚀刻通常用于第三族氮化物材料系统的表面纹理化，因为它具有设备设置简单、没有晶格损伤、可扩展性和良好的选择性等特点.光增强化学(PEC)湿蚀刻已在室温下得到证明，但它在可扩展性方面存在问题。此外， PEC蚀刻是各向异性和带隙选择性蚀刻的有效技术。目前采用各种方法通过湿法蚀刻进行表面纹理化，以提高第三族氮化物基发光二极管的光提取效率。

本文研究了磷酸和氢氧化钾溶液在镓和氮面氮化镓中的不同腐蚀行为和机理。

实验

在我们的实验中使用了商用镓面和氮面氮化镓样品。包含在聚四氟乙烯支架中的氮化镓样品在H3PO4溶液中蚀刻(适马·奥尔德里奇，85 wt。%在H2O)。H3PO4蚀刻样品在2M氢氧化钾溶液中蚀刻，然后在去离子水中漂洗。然后在氮气流下干燥样品。在H3PO4溶液中以不同的浓度(H3PO4 (85 wt . %):去离子水= 1:0、1:16、1:32和1:64)来确定表面形态和溶液浓度之间的关系。溶液的温度保持在100℃，搅拌速度在所有情况下都是200转/分。蚀刻持续时间为20分钟。用扫描电子显微镜(SEM，Hitach S-4700)对表面形貌进行了表征。

结果和讨论

为了确定表面形态和蚀刻剂类型之间的关系，使用H3PO4或KOH溶液蚀刻相同的氮化镓样品。在湿法蚀刻之前，N面氮化镓已经呈现出粗糙的表面(图。1a)。众所周知，氮面氮化镓的表面比镓面氮化镓的表面粗糙。样品经磷酸(85 wt。%)在100℃下保持20分钟。1b . H3PO4刻蚀后，N面氮化镓表面形成十二角金字塔，与之前的报道一致。图1b和图1b。1c中，可以清楚地看到，KOH刻蚀使表面形貌从十二边形金字塔变为六边形金字塔。据报道，氮面氮化镓比镓面氮化镓更具化学活性，在氢氧化钾化学蚀刻后暴露的六边形金字塔由六个{10-1-1}面组成。镓面氮化镓显示出化学稳定性，在氢氧化钾溶液中没有观察到明显的蚀刻。表面上悬挂键的数量被认为控制镓面和氮面氮化镓的蚀刻行为。在镓面上，在通过OH离子去除第一镓层之后，存在于表面上的每个氮原子具有三个悬挂键。因此，由于三个悬挂键和OH离子之间的排斥力，湿法蚀刻不能继续。因此，镓面氮化镓的表面形态在氢氧化钾湿蚀刻后保持平坦(稳定)，这与氮面氮化镓不同。

图3显示，湿法蚀刻后，光致发光强度显著增加。基于这些结果，我们得出结论，化学湿法蚀刻将表面变成了一种允许光子容易逃逸的结构。此外，我们没有观察到氮化镓表面金字塔的不同(十二边形和六边形)特征之间的光致发光强度有任何差异。

结论

我们研究了Ga面和n面氮化镓在热磷酸或氢氧化钾溶液中的蚀刻行为。在六角形和十二角形金字塔之间的表面形态的变化取决于（氢氧化钾或磷酸）蚀刻剂和浓度。金字塔形状的不同分布也取决于磷酸的浓度。在化学蚀刻后，n面氮化镓上都存在六角形和十二角形金字塔磷酸浓度较低。这些通过酸或碱溶液的化学蚀刻方法将有助于提高氮化镓基led的光提取效率。