盐酸蚀刻ZnO表面增强ZnO/GaN异质结LED光提取效率的研究

本研究针对ZnO/GaN异质结LED存在的光提取效率（LEE）低和电流分布不均问题，通过HCl溶液蚀刻n-ZnO活性层表面形成粗糙结构，显著提升了器件的光输出功率密度和电流扩展性能，为高效固态照明器件的设计提供了创新思路。

　　

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的重要技术。然而，尽管GaN基LED的内部量子效率（IQE）可通过先进外延技术达到80%以上，其外部量子效率仍受限于光提取效率（LEE）的不足。这一问题的根源在于GaN与封装材料或空气界面处折射率的突变，导致光逃逸锥角狭窄（约23.6°），引发严重的内反射损失。为解决这一问题，研究人员通常会在GaN表面沉积具有粗糙结构或纳米尺寸的低折射率散射层，以扩大光逃逸锥角并减少多次反射。在众多材料中，氧化锌（ZnO）因其与GaN匹配的晶格常数和折射率，以及易于通过湿法蚀刻实现表面粗糙化的特性，成为改善GaN基光电器件LEE的理想选择。

尽管ZnO/GaN异质结LED在提高辐射功率方面展现出潜力，但其高折射率（约2.1）同样导致LEE较低。幸运的是，由于ZnO优异的湿法蚀刻能力，直接粗糙化其表面以增强光散射和减少内反射相比GaN材料更具可行性。然而，目前尚未有研究报道通过简单湿法蚀刻直接处理薄膜沉积ZnO活性层表面以提升ZnO/GaN异质结LED发光性能的工作。

为此，本研究团队开展了针对HCl溶液蚀刻ZnO表面对其光学、电学特性及ZnO/GaN异质结LED性能影响的研究。他们通过射频磁控共溅射系统在蓝宝石衬底上沉积未掺杂ZnO薄膜，并经过快速热退火（RTA）处理提高结晶质量，随后使用不同浓度（20、35和50 mM）的HCl溶液对ZnO表面进行蚀刻，形成粗糙结构。研究团队进一步制备了ITO/Ag/ITO透明电极结构，并优化了其与粗糙化ZnO表面的欧姆接触特性。最终，他们构建了ZnO/GaN异质结LED器件，并通过电致发光（EL）和光输出功率测试系统评估了器件的性能。

关键技术方法包括：使用射频磁控溅射沉积ZnO薄膜；快速热退火（RTA）处理优化薄膜结晶性；HCl溶液湿法蚀刻制备粗糙表面；传输线模型（TLM）测量接触电阻；原子力显微镜（AFM）分析表面形貌；紫外-可见-近红外分光光度计测试光学透射率；光致发光（PL）和电致发光（EL）光谱表征辐射特性；Van der Pauw霍尔测量评估电学参数。

3. Results and discussions

研究结果显示，HCl溶液对退火后ZnO薄膜的蚀刻速率随摩尔浓度增加而线性上升，从20 mM到50 mM，蚀刻速率增加超过5倍。AFM分析表明，经过50 mM HCl蚀刻的ZnO表面粗糙度（Ra）达到23.4 nm，显著高于未蚀刻样品的8.6 nm。光学测试表明，蚀刻后ZnO薄膜的可见光区平均透射率降至86%，而光致发光（PL）光谱中近带边（NBE）发射强度较未蚀刻样品增加近四倍，证明粗糙表面对光子辐射具有增强作用。电学测量显示，蚀刻后ZnO的载流子浓度和迁移率略有下降，但仍保持良好导电性。

在欧姆接触特性方面，ITO/Ag/ITO电极与蚀刻后ZnO表面接触的特定接触电阻降至6.07×10^–3 Ω cm²，优于未蚀刻表面的6.85×10^–3 Ω cm²。这种改善归因于氯基蚀刻引起的表面氧原子变化增强了隧穿效应。

对于ZnO/GaN异质结LED器件，表面粗糙化的LED开启电压降至1.07 eV，串联电阻为26.5 kΩ，低于参考LED的1.12 eV和41.0 kΩ。EL光谱分析显示，两种器件均发射由近紫外（NUV，~378 nm）和黄红（YR，500-800 nm）波段组成的白光，CIE坐标分别为（0.3345, 0.3003）和（0.3345, 0.3013），表明蚀刻处理未改变发光颜色。然而，粗糙化LED的NUV和YR辐射强度均显著高于参考LED，且在注入电流超过25 mA时NUV发射成为主导。

光输出功率密度测试表明，粗糙化LED在20 mA注入电流下的功率密度达到115 μW/cm²，是参考LED（38 μW/cm²）的3倍以上。在30 mA电流下，粗糙化LED功率密度进一步增至167 μW/cm²，而参考LED仅44 μW/cm²。功率-电流关系分析显示，粗糙化LED在低电流下呈现超线性增长（m~1.14），而在高电流下接近线性，参考LED则呈现亚线性增长且易饱和。这种差异源于粗糙表面对电流扩展的改善和对热效应的抑制，使器件能在更高电流下保持高效辐射。

4. Conclusions

本研究通过HCl溶液简单粗糙化n-ZnO活性层表面，显著提升了ZnO/GaN异质结LED的光提取效率和电流扩展性能。在20 mA注入电流下，器件光输出功率密度达到115 μW/cm²，较参考LED提升203%。在30 mA电流下，功率密度进一步增至167 μW/cm²，接近参考LED的4倍。这一成果不仅为高效ZnO/GaN异质结LED的设计提供了新思路，也为未来固态照明器件的性能优化提供了重要参考。