30、图案化蓝宝石衬底上III族氮化物发光器件的缺陷降低与效率提升

图案化蓝宝石衬底上III族氮化物发光器件的缺陷降低与效率提升

1. 背景与问题提出

宽禁带III族氮化物具有巨大的应用潜力，但在晶格失配衬底上生长氮化物材料时，会形成高密度的穿透位错（TDs），这在很多应用中限制了其发展。特别是在紫外区域工作的GaN发光二极管（LED），由于其在火焰检测、高效长寿命白光照明、净化和杀菌、空气清洁、环境传感器、医疗设备以及高密度光存储等实际应用中的需求，受到了更多关注。

过去，人们提出了不同的生长方法来降低TD密度，例如常用的侧向外延生长（ELOG）技术，它利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）来减少TD密度。具体操作是先在蓝宝石衬底上生长几微米厚的GaN外延层，然后制作SiNx或SiO2条形掩模，接着进行外延生长。还有双ELOG技术，通过在窗口区域上方偏移第二层SiO2掩模，可实现极低缺陷密度（≤10⁶ cm⁻²）的GaN结构，但该结构需要两次MOCVD再生长过程。

2. 新方法介绍

这里提出了一种结合图案化蓝宝石衬底（PSS）和ELOG技术的新方法，用于改善紫外发射体的缺陷密度和内部量子效率。特别地，在ELOG - SiO2掩模设计中使用了与底层PSS对应的互补点阵图案，该结构仅需一次MOCVD再生长过程。

3. 样品制备流程

• 衬底准备 ：使用MOCVD在2英寸（0001）蓝宝石衬底上生长样品。采用周期性孔图案（直径3 µm，间距3 µm），蚀刻深度为1.5 µm的湿法蚀刻PSS。使用H₂SO₄:H₃PO₄（3:1）混合溶液在280 °C下蚀刻蓝宝石衬底，SiO₂层作为蚀刻掩模。
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