等离激元和随机粗化结构在氮化镓表面的制备与应用

论文摘要

氮化镓基发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在最近二十年得到了广泛的关注,在许多领域具有非常诱人的应用前景,例如固态照明,显示器背光源和交通信号灯。但是,这些氮化镓LED还是没有完全满足要求。其中一个主要的原因就是薄膜质量较差和外延层的结构限制了内量子效率。另外一个因素是提取效率方面也有所限制,这方面原因是因为氮化镓的折射率很高（-2.5）,根据全反射定律,只有很少一部分（-4%）光能从传统LED中提取出来,大部分光子被限制在管芯内部最后被吸收掉转换成热量。在过去的十年里,为了增加LED的内量子效率和提取效率,国际上许多课题组开展了大量的工作,发展了许多方法,其中包括利用表面等离子体与半导体之间的耦合、芯片形状改变、共振腔、表面粗化、光子晶体和图形化衬底技术。在这些方法中,表面粗化和表面等离激元的耦合是最经济而且容易与目前的LED工艺集成的技术。为了实现表面等离激元与LED之间的耦合,首先需要在氮化镓薄膜上生长等离激元纳米结构。而表面粗化技术要求发展可控的氮化镓湿法刻蚀方法。所以我的论文主要阐述了下面几个方面的内容：（1）在这篇硕士论文中,首先阐述一种在氮化镓表面生长银纳米结构的光化学方法,氮化镓的掺杂类型和载流子浓度在银纳米结构的生长中扮演了重要作用。在n型氮化镓上,光化学反应产物是均匀的椭球形银纳米颗粒。银纳米颗粒的局域表面等离子体与限制在氮化镓和蓝宝石界面处的光子相互耦合,形成Fabry-Perot类型的表面等离子共振。降低硝酸银的浓度会产生银纳米枝晶结构,在溶液中加入乙醇能增加枝晶结构的密度。对于p型氮化镓,光化学产物是银纳米方块,截角八面体,纳米八面体这些银多面体纳米结构,多面体的形状可以通过调节硝酸银溶液的浓度得到精确控制。据我们所知,这是第一次报道银纳米多面体可以在没有表面活性剂的情况下在室温生长得到。我们认为这是p型氮化镓的表面态将银纳米结构生长过程中的成核和生长过程分离开来,导致了各向异性纳米结构的产生。（2）优化改进了垂直结构LED的表面粗化技术。氮极性的n型氮化镓表面可以通过简单的光化学方法来粗化,腐蚀之后在表面产生六面体锥形结构。随着腐蚀时间的延长,六面体锥形结构的密度减少,尺寸增大,但是始终有些区域保持光滑。在我们的实验中通过在腐蚀液中添加K2S2O8（?）（?）决了这个问题,在KOH-K2S2O8中腐蚀氮极性的n型氮化镓,表面产生全覆盖的锥形结构,相互之间没有空隙。当腐蚀液中的KOH浓度降低到0.1M时,腐蚀产生的六面体锥形结构转变成半椭球形。而且,半椭球形还是覆盖整个薄膜表面。调节KOH的浓度可以控制粗化结构的形貌,这可以应用在对输出光场分布的调控上。（3）我们发展出一种简单的金属辅助光化学方法来制备纳米多孔p型氮化镓,从而粗化LED外延片增加提取效率。在此之前,p型氮化镓在室温下的湿法腐蚀一直没有得到有效地解决。我们发现在p型氮化镓表面先沉积一层金属纳米颗粒,然后再在HF-K2S208溶液中腐蚀,就可以使p-GaN粗化成纳米多孔结构。粗化后的表面使得量子阱中产生的光子有效地散射到外界。光化学腐蚀10min之后,在20mA的注入电流下,LED输出光功率增加了32.7%,工作电压相对传统LED也没有什么变化。但是腐蚀20min之后,器件的性能相对10min腐蚀的样品有所下降,工作电压上升,我们认为这是由于电流阻塞效应和表面复合速率增加造成的。（4）本篇论文研究了镓极性的n型氮化镓和p型氮化镓的选择性腐蚀行为,以及利用这种技术来粗化LED。腐蚀之后产生了三种不同尺寸的腐蚀坑,分别来自三种不同的位错。腐蚀坑的尺寸可以通过腐蚀时间来调节,不同温度下腐蚀坑的密度不一样,腐蚀坑对腐蚀温度的依赖关系与位错类型有关。通过热力学理论可以解释这种腐蚀坑密度对温度的依赖关系。p型氮化镓的选择性湿法刻蚀可以利用来粗化LED,过长时间的腐蚀会在LED外延片上产生台阶状的腐蚀坑。综上所述,本硕士论文研究了在氮化镓表面制备等离激元纳米结构和随机粗化结构的方法,以及利用这些技术提高LED的量子效率。在硝酸银溶液中通过紫外光辐照就可以在n型氮化镓上生长得到随机分布的银纳米颗粒,同样的反应条件下p型氮化镓上生长得到则是多面体纳米晶。在金属纳米颗粒的辅助下,p型氮化镓可以通过光化学方法在HF+K2S2O8中腐蚀成纳米多孔结构,这种粗糙化的表面能显著地提高LED的提取效率。缺陷选择性腐蚀氮化镓能会在位错处产生腐蚀坑,这种六方的腐蚀坑可以利用于粗化LED表面从而提高器件的提取效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氮化镓的结构与基本性质
• 1.3 氮化镓基LED
• 1.3.1 氮化镓基LED的结构
• 1.3.2 氮化镓基LED的工作原理
• 1.4 提高氮化镓基LED发光效率的方法
• 1.4.1 表面等离激元提高LED发光效率
• 1.4.2 表面粗化提高LED发光效率
• 1.4.3 其他方法提高LED发光效率
• 1.5 研究目的和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 氮化镓表面等离激元结构的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验步骤
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 银纳米颗粒生长在n型氮化镓表面
• 2.3.2 n型氮化镓表面生长银纳米分叉结构
• 2.3.3 p型氮化镓和量子阱表面生长银纳米晶
• 2.3.4 生长机理
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 氮化镓的光化学刻蚀与表面粗化
• 3.1 引言
• 3.2 垂直结构LED的表面粗化
• 3.2.1 垂直结构LED表面粗化原理
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 光化学法制造纳米多孔p型氮化镓
• 3.3.1 p型氮化镓光化学腐蚀原理
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 氮化镓缺陷选择性腐蚀与表面粗化
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 n型氮化镓的选择性湿法刻蚀
• 4.3.2 p型氮化镓的选择性湿法刻蚀与表面粗化
• 4.3.3 腐蚀坑中生长银纳米晶
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 本论文的创新点
• 5.3 有待进一步开展的工作
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表