盐酸蚀刻粗糙化ZnO表面增强ZnO/GaN异质结发光二极管的光提取效率研究

为解决ZnO基异质结发光二极管（LED）光提取效率（LEE）低的问题，研究人员通过盐酸（HCl）蚀刻法构建粗糙化ZnO表面，显著增强了光散射和电极欧姆接触，使LED光输出功率密度提升近4倍，为高效固态照明器件设计提供了新策略。

　　

在固态照明领域，氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）因其高可靠性、节能环保等优势已成为替代传统照明产品的划时代技术。然而，尽管通过先进的外延技术可使GaN基LED的内量子效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）超过80%，但其外量子效率仍受限于光提取效率（Light Extraction Efficiency, LEE）的不足。这主要源于GaN与空气或封装材料间折射率的突变，导致光被限制在狭窄的逃逸锥角（约23.6°）内，造成严重的内反射损失。为突破这一瓶颈，研究人员通常通过在GaN表面沉积低折射率、粗糙化的散射层来扩大逃逸锥角，减少多次反射。其中，氧化锌（ZnO）因其与GaN相似的晶格常数和折射率，以及易于湿法蚀刻形成粗糙表面的特性，被视为理想的窗口层材料。然而，ZnO基异质结LED同样面临高折射率（约2.1）导致的LEE低下问题。值得注意的是，ZnO优异的湿法蚀刻能力使其表面粗糙化处理比GaN材料更为便捷，这为直接通过蚀刻活性ZnO层提升器件性能提供了新思路。

尽管ZnO粗糙表面对GaN基光电器件性能的提升已有较多研究，但直接通过湿法蚀刻沉积在n-ZnO/p-GaN异质结LED的ZnO活性层表面以改善其发光性能的报道尚属空白。为解决这一问题，本研究首次系统探讨了盐酸（HCl）溶液蚀刻对ZnO表面形貌、光学特性及电学接触的影响，并在此基础上制备了具有粗糙化ZnO表面的ZnO/GaN异质结LED，显著增强了器件的光输出功率和电流扩展能力。

本研究主要采用射频磁控溅射技术在硅和蓝宝石衬底上沉积未掺杂ZnO薄膜，并通过快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）处理优化其结晶质量。利用不同浓度（20、35、50 mM）的HCl溶液对ZnO表面进行蚀刻，通过原子力显微镜（AFM）和表面轮廓仪分析其粗糙度与蚀刻速率。光学性能通过紫外-可见-近红外分光光度计和光致发光（Photoluminescence, PL）光谱表征，电学特性则借助范德堡霍尔测量和传输线模型（Transmission Line Model, TLM）评估。LED器件制备涉及标准光刻和剥离技术，电极系统采用ITO/Ag/ITO多层结构，其欧姆接触行为通过RTA处理优化。电致发光（Electroluminescence, EL）特性及光输出功率密度通过半导体参数分析仪和光谱测量系统在室温下测试。

3. Results and discussions

表面粗糙度与光学特性：HCl蚀刻显著提高了ZnO薄膜的表面粗糙度。未蚀刻的退火ZnO薄膜粗糙度为8.6 nm，而经20 mM和50 mM HCl处理后分别增至10.1 nm和23.4 nm。粗糙表面的形成导致光散射增强，使蚀刻后ZnO的可见光区平均透射率降至86%，但PL光谱显示其近带边发射（Near-Band-Edge Emission, NBE）强度较未蚀刻样品提高了近四倍，表明粗糙表面对光子辐射具有显著促进作用。

电学接触特性：ITO/Ag/ITO电极与粗糙化ZnO表面表现出优异的欧姆接触特性。经200°C RTA处理后，其比接触电阻降至6.07×10^–3 Ω·cm²，较未蚀刻样品（6.85×10^–3 Ω·cm²）进一步降低。这主要归因于氯基蚀刻改变了表面氧原子分布，增强了隧穿效应，并为电流提供了更多传导路径。

器件性能分析：粗糙化LED的开启电压降至1.07 V，串联电阻为26.5 kΩ，低于参考LED的1.12 V和41.0 kΩ。EL光谱显示，器件发射主要包含378 nm附近的近紫外（NUV）辐射和500–800 nm的黄红（YR）宽带辐射，分别源于ZnO的带间跃迁和氧空位（V_O）等缺陷能级发光。粗糙化处理未改变发光颜色，但显著提升了辐射强度。在30 mA注入电流下，粗糙化LED的光输出功率密度达167 μW/cm²，是参考LED（44 μW/cm²）的近4倍。此外，粗糙表面对电流扩展的改善使器件在高电流下仍保持线性增长，而参考LED则因电流拥挤效应出现饱和。

4. Conclusions

本研究通过HCl溶液简单蚀刻n-ZnO活性层表面，成功制备了具有高光提取效率的ZnO/GaN异质结LED。粗糙表面不仅增强了光散射和欧姆接触，还改善了电流扩展能力，使器件在20 mA和30 mA注入电流下的光输出功率密度分别达到115 μW/cm²和167 μW/cm²，较参考LED提升203%和280%。这一策略为高效ZnO基光电器件的设计提供了重要参考，有望推动固态照明技术的进一步发展。