（信息与通信工程专业论文）大功率led芯片的制备及提高出光效率的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o n s t u d y o nt h e e n h i n s u p e r v i s o r p r o f n i up i n g ju a n s c h o o lo fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ， t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y d e c e m b e r , 2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王l 沁 签字日期：舯7 月2 z l ? t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：了 签字日期：加p 年i , 9 7 1 e 1 ， 纠 前 月 彳怍 、6 孙 弘 签 吼 隧 期 i y j 副 钥 学位论文的主要创新点 大功率l e d 芯片的制备要经过三部分完成，分为上游的外延材 料生长、中游的工艺研制和芯片制备以及下游的器件封装。本论文主 要研究的是中游工艺研制和芯片制备技术，创新点如下： 一、进行了工艺改进。与传统工艺相比，将淀积s i 0 2 介质层、 台面腐蚀的工艺步骤省略，简化了工艺流程，节省了工艺时间。增加 了衬底减薄工艺，方便后期解离并且有利于提高l e d 的稳定性。 二、优化l e d 出光面的增透膜和平板光子晶体结构的结构参数， 从而提高l e d 出光效率，最终找出最佳结构参数。 备工艺、提高l e d 的出光效率等对l e d 的应用具有重要意义。本论文的目的是： 对l e d 芯片的制备工艺进行优化，使工艺步骤减少，工艺时间缩短，并提高l e d 的稳定性；采用新工艺制备出l e d 芯片并对其特性进行测试；通过仿真得出增 透膜对l e d 出光效率的影响；优化并仿真平板光子晶体l e d 的器件结构参数， 得出提高l e d 出光效率的最佳平板光子晶体结构参数。 本文简述了l e d 的发光原理、优点及其发展和现状，并详细介绍了大功率 l e d 的特性及提高l e d 发光效率的因素及方法。重点研究了大功率l e d 的工艺 改进，详细阐述了改进后的工艺流程及改进后的关键工艺步骤，成功制备出 a 1 g a l n p 材料的大功率红光l e d ，并对其特性进行测试。简述了增透膜提高l e d 出光效率的原理，通过仿真验证增透膜对l e d 出光效率的影响；阐述利用光子 晶体结构提高l e d 出光效率的原理，并对a 1 g a l n p 材料的红光光子晶体l e d 及 g a n 基蓝光光子晶体l e d 的器件结构参数进行优化，经仿真得出光子晶体平板 结构的最佳参数，并使用a s a p 软件对三种l e d 器件模型的光通量进行模拟， 从而评价光子晶体结构对l e d 出光效率的提高。 本文所做的主要工作有： ( 1 ) 改进a 1 g a l n p 材料的红光l e d 的工艺流程，制备芯片，测试制备后芯 片的电光特性。 ( 2 ) 仿真得出增透膜对l e d 出光效率的影响；优化a 1 g a l n p 材料红光光子 晶体l e d 和g a n 基蓝光光子晶体l e d 器件的结构参数，得出利用光子晶体提 高l e d 出光效率的最佳参数。 关键词：大功率；发光二极管；工艺优化；增透膜；光子晶体 a b s t r a c t r e s e a r c ho fh i g h - p o w e rl e di st h et r e n do fl e dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s w i t hi t sa d v a n t a g e so fh i g hl u m i n o u se f f i c i e n c ya n ds t r o n gc u r r e n tw i t h s t a n d ，e t c ，i ti s u s e di nl a r g ea r e ad i s p l a y s ，i n d o o ra n do u t d o o rl i g h t i n ga n do t h e rf i e l d s e n h a n c i n g l u m i n o u se f f i c i e n c yo fl e di sn e c e s s a r yf o ra c c e l e r a t i n gt h ed e v e l o p m e n to fl e d a n da c h i e v i n gi t su n i v e r s a la p p l i c a t i o n i ti si m p o r t a n tt op r o f o u n da n a l y s i sp r i n c i p l eo fl e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f e p i t a x i a lm a t e r i a ll a y e r s ，o p t i m i z et h ep r o c e s so fc h i p sa n de n h a n c et h ee x t r a c t i o n e f f i c i e n c yo fl e d t h ea i mo ft h ep a p e ri st oo p t i m i z et h ep r o c e s sf o rr e d u c i n gt h e p r o c e s s ，s h o r t i n gt h ep r o c e s st i m ea n di m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo fl e d t h el e dc h i p s a r ef a b r i c a t e db yt h en e wp r o c e s sa n dt e s t e d t h ei n f l u e n c eo nt h ee x t r a c t i o n e f f i c i e n c yb ya n t i r e f l e c t i o nf i l mi ss i m u l a t e d a n dt h es t r u c t u r eo fp h o t o n i cc r y s t a l s l a bl e di so p t i m i z e d b yt h es i m u l a t i o no ft h ee n e r g yg a pi nd i f f e r e n tp a r a m e t e r so f p h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r e ，t h eo p t i m u mp a r a m e t e ro ft h ep h o t o n i cc r y s t a li so b t a i n e d t h i st h e s i si n t r o d u c e sl e d sl u m i n o u sp r i n c i p l e ，a d v a n t a g e s ，d e v e l o p m e n ta n d c u r r e n ts t a t u s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp o w e rl e da n dt h ef a c t o r si n f l u e n c e do n l e de x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h em e t h o d se n h a n c e dl e de x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya r e d e s c r i b e di nd e t m l f o c u s i n go nh i g h - p o w e rl e d p r o c e s si m p r o v e m e n t ，w ed e t a i lt h e i m p r o v e dp r o c e s sa n dt h ec r i t i c a lp r o c e s ss t e p s h i g h - p o w e ra 1 g a l n pr e dl e di s s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e da n dt e s t e d m e a n w h i l e ，t h ep r i n c i p l ew h i c ht h ea n t i r e f l e c t i v e f i l me n h a n c e st h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e di s i n t r o d u c e d ，a n dt h ee f f e c to f a n t i r e f l e c t i v ef i l mo nt h el e de x t r a c t i o ne f f i c i e n c yi sv a l i d a t e db ys i m u l a t i n g t h e n , t h ep r i n c i p l eo ft h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c ye n h a n c e m e n t b yp h o t o n i cc r y s t a li sp r o p o s e d w eo p t i m i z et h ed e v i c es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa 1 g a l n pr e dp h o t o n i cc r y s t a ll e d a n dg a n b a s e db l u e p h o t o n i cc r y s t a ll e dw i t hs i m u l a t i o n a n ds i m u l a t et h e l u m i n o u sf l u xo ft h r e ed i f f e r e n tl i g h te m i t t i n gd i o d e sb yt h ea s a ps o f t w a r e ，t h e n e s t i m a t et h ee n h a n c e m e n to ft h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e db yt h ed e s i g n e d p h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r e t h em a i nw o r kd o n eb yt h i sa r t i c l e ： ( 1 ) o p t i m i z et h ep r o c e s so fa i g a l n pr e dl e da n df a b r i c a t ec h i p s ，t h e nt e s tt h e o p t o e l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fc h i p sa f t e rp r e p a r a t i o n ( 2 ) o b t a i nt h ei n f l u e n c eo fa n t i r e f l e c t i o nf i l mo nl u m i n o u se f f i c i e n c yo fl e db y s i m u l a t i n g a n do p t i m i z et h ed e v i c es 缸u c t u r ep a r a m e t e r so fa i g a l n pr e dp h o t o n i c c r y s t a ll e da n dg a n - b a s e db l u ep h o t o n i cc r y s t a ll e d o b t a i nt h eo p t i m u m p a r a m e t e rt oi m p r o v et h el e d e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yw i t hp h o t o n i cc r y s t a l k e yw o r d s ：h i g h - p o w e r , l e d ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，a n t i r e f l e c t i v ef i l m ，p h o t o n i c c r y s t a l 目录 第一章绪论。1 1 1l e d 简介1 1 1 1l e d 的发光原理1 1 1 2l e d 的优点2 1 1 3l e d 的发展及现状3 1 2 大功率l e d 4 1 2 1l e d 功率的提高4 1 2 2 影响l e d 发光效率的因素一5 1 2 3 提高l e d 发光效率的方法6 1 3 本论文组织结构8 第二章大功率红光l e d 的制备及工艺改进1 1 2 1 红光l e d 外延片1 1 2 1 1 红光l e d 的外延材料l l 2 1 2a 1 g a l n p 材料制备的l e d 结构。1 3 2 1 3 外延片测试1 5 2 2l e d 芯片的制备1 7 2 2 1l e d 芯片制备的工艺流程及步骤1 7 2 2 2 芯片制备中关键的工艺技术2 3 2 2 3 芯片的实验结果测试及结论2 5 2 3 小结2 8 第三章增透膜提高l e d 出光效率的研究。2 9 3 1 增透膜提高l e d 出光效率2 9 3 2 传输矩阵法3 0 3 3 增透膜参数设计31 3 4 小结3 5 第四章光子晶体提高l e d 出光效率的研究3 7 4 1 光子晶体提高l e d 出光效率。3 7 4 1 1 光子晶体提高l e d 出光效率的原理3 7 4 1 2 平板光子晶体的能带计算4 0 4 2a 1 g a l n p 材料红光光子晶体l e d 4 3 4 2 1 器件结构4 3 4 2 2 能带计算。4 3 4 3g a n 基蓝光光子晶体l e d 4 5 4 3 1 器件结构4 6 4 3 2 能带计算4 7 4 3 3 全反射层的设计4 8 4 4a s a p 仿真5 0 4 5 小结5 2 第五章工作总结及展望5 3 参考文献5 5 发表论文和参加科研情况说明6 1 致谢6 3 第一章绪论 1 1l e d 简介 第一章绪论 近年来，能源短缺问题迫在眉睫，环境污染也越来越严重，世界各国都努力 开发新能源和研究新技术来取代现在耗能、污染严重的旧能源和旧技术。发光二 极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 的出现使人类照明的节能环保看到了曙光。 l e d 是一种新型固体光源，是一种电致发光的光电器件，是继白炽灯、荧光灯 之后的新一代照明光源。它具有许多白炽灯和荧光灯无法比拟的优点，因此l e d 是取代传统照明光源，使人类照明实现飞跃的新的里程碑。 1 1 1l e d 的发光原理 发光二极管是将电能转换成光能的半导体材料，通过电子与空穴的复合发 光。对于间接带隙材料而言，当其电子从价带跃迁到导带与空穴复合时，除产生 光子外，还有声子产生，所以发光效率低。而直接带隙材料( 多为l i 族、 v 族化合物半导体) ，电子和空穴复合产生的能量全部以光的形式释放，如图1 1 所示。因此，制作l e d 通常使用直接带隙材料。 能量 能量 、 争萨 t刁 e g i 乡，t 九蹴子 f 、 声子 l 价带 导带厂 佥 ? 。i 可一i 弋一光子 | 分移l 图1 1 半导体的间接能隙与直接能隙示意图 l e d 发光的核心部分是p - n 结。下面从能带角度来解释直接带隙材料l e d 的发光原理，图1 2 为发光二极管p - n 结能带图。 天津工业大学硕十学位论文 n 区结区 p 区 e f e v p 第一章绪论 一，荧光管的二分之一。日本估计，如果采用光效比荧光灯还要高2 倍的l e d 替代日本一半的白炽灯和荧光灯、每年可节约相当于6 0 亿升原油。 ( 3 ) 寿命长。l e d 平均寿命达1 0 万小时，l e d 灯具使用寿命可达5 1 0 年， 可大大降低灯具的维护费用。 ( 4 ) 安全可靠性强。 ( 5 ) 有利于环保。l e d 为全固体发光体、耐冲击、不易破碎、可回收、没有 二氧化碳等温室气体和二氧化硫及氮化物等有害气体的产生，有利于保护环境， 可谓“绿色照明光源【引。 l e d 的这些突出优点受到了各国研究机构的重视，各国均投入大量的资金 和研究力量来提高l e d 的发光性能。 1 1 3l e d 的发展及现状 1 9 6 2 年，g e 、m o n s a n t o 、i b m 的联合实验室开发出了磷砷化镓( g a a s p ) 这种发红光的半导体化合物，从此，可见光发光二极管步入商业化发展进程。上 世纪6 0 年代后期，惠普和m o n s a n t o 公司推出了用g a a s p 材料制作的商用化红 色l e d 。这种l e d 的效率为0 1 l m w , 比6 0 至1 0 0 瓦白炽灯的效率1 5 l m w 要 低1 0 0 多倍，之后相继出现了橙光、黄光和绿光的l e d 3 1 。8 0 年代早期，l e d 的发展取得了重大技术突破，即开发出了直接带隙的a 1 g a a sl e d ，它能以 1 0 1 m w 的发光效率发出红光。这一技术进步使l e d 能够应用于室外信息发布以 及汽车高位刹车灯设备。1 9 9 0 年，又开发出了a i l n g a p 材料的l e d ，这比当时 标准的g a a s p 器件性能还要高出1 0 倍，之后随着m o c v d 技术的成熟，直接带 隙a i l n g a p 成为研究热点。 1 9 9 4 年，日本科学家中村修二【4 】在g a n 基片上研制出了第一只蓝光发光二 极管，由此引发了对g a n 基l e d 的研究和开发热潮。2 0 世纪9 0 年代后期，白 光l e d 的出现使l e d 取代白炽灯等传统光源的梦想成为现实，随着技术的不断 进步，近年来白光l e d 的发展相当迅速，白光l e d 的发光效率已经达到3 8 1 m w , 实验室研究成果可以达到7 0 l m w , 大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。 如今，世界各国竞相发展自己的l e d 产业，不断推出国家半导体照明计划 来推动l e d 产业的发展，并加大投入，抢占行业制高点。日本在l e d 技术和 l e d 市场份额方面均称得上“超级大国”，在l e d 衬底材料、g a n 基外延层、 芯片结构与制造、白光l e d 用荧光粉及应用技术等领域拥有的专利数量均排在 世界之首，一直垄断着蓝光和绿光l e d 市场，在白光技术方面具有领先优势， 到2 0 1 0 年，其发展目标是1 2 0 l m w ；美国能源部设立半导体照明国家研究项目， 他们制定的目标是：2 0 1 2 年达到1 5 0 删5 1 。他们预计到2 0 2 5 年，固体照明光 天津r t 业人学硕士学位论文 源的使用将使照明用电量减少一半；欧共体开展的多色光源的“彩虹计划”，已 经推动了高亮度户外照明和高密度光碟存储市场的发展，随后又启动了“固体照 明研究项目”，目标是提高白光l e d 的性能；韩国l e d 研发及其产业发展起步 较晚，但依靠其比较雄厚的技术实力，l e d 产业在几年中迅速崛起，为推动l e d 发展，韩国政府也批准实施“固体照明计划”；中国台湾地区也推出“次世纪照 明光源开发计划 来推动l e d 的发展【6 】。这些国家和地区均已基本掌握了国际 上最先进的上游外延、中游芯片制造、下游封装技术。 我国大陆地区的l e d 产业起步于2 0 世纪7 0 年代，经过4 0 年的不断发展已 形成了一个l e d 上、中、下游制备以及应用的完整产业链。面对l e d 巨大的市 场空间，近几年，我国在逐步加快发展l e d 产业的步伐，国家启动了多个半导 体照明工程产业基地，试图缩短与国外技术的差距。虽然在“国家半导体照明工 程的推动下，我国的l e d 产业有了飞速发展，但是我国l e d 产品和国外先进 l e d 产品仍存在很大差距，主要反映在产品水平较低和研发能力不足上。从产 品水平方面看，越到上游，水平差距越大，主要差距在外延制备和芯片制造方面， 主要反映在光学性能及均匀性和成品率上。我国外延片和芯片的研究及生产起步 较晚，目前从事l e d 外延片和芯片生产的企业仅五六十家( 其中7 0 左右的企 业是在1 9 9 9 年后成立的) ，并且规模均较d , t t 】。而且我国在提高芯片外量子效率 的生产技术方面与国外相比差距较大。封装方面，我国大部分企业都从事后道封 装生产，所需的管芯设备基本从国外进口，因此积极开展创新型研发工作，制备 出具有我国自主知识产权的l e d 产品是我们发展l e d 产业的目标。 鉴于l e d 的优点，固体照明发展的意义重大，并且考虑到我国l e d 产业与 国外先进水平的差距，迫使我们在技术和成本上要有重大突破，这都需要加大研 究力度和长时间的努力。并且现在l e d 的应用存在屏障，但是只要光效达到 1 0 0 1 m w 的高亮度大功率的l e d 产品实现商业化【8 l ，并将价格降至白炽灯泡价格 的1 0 倍以下，l e d 就会更多的应用于室外及室内照明、大屏幕显示、汽车灯等 处【9 】，使其成为2 l 世纪的新一代光源。因此，对大功率高亮度l e d 研究是加快 l e d 产业进步的必要条件，是各国发展l e d 技术和产业的竞争焦点。 1 2 大功率l e d 1 2 1l e d 功率的提高 l e d 的发光强度与正向电流i f 几乎成线性关系【l o 】，因此可通过提高正向电 流i f 来得到较大发光强度的l e d 。但是l e d 有一个最大功耗p d 值的限制，其 表达式为： 第一章绪论 弓= f( 1 - 1 ) 其中v f 为正向电压，i f 为正向电流【l l 】。如果过大的增加i f 而使p d 超过最大 值，则会导致l e d 过热从而造成损坏。为了使发光强度增加，开发出中功率l e d ， 其工作电流也提高到7 0 m a 。近些年，为进一步提高发光二极管的发光强度，开 发出功率型和大功率l e d ，其功率一般为1 1 0 w ( 有一些还大于1 0 形) 。它的 工作电流一般为3 5 0 - 7 0 0 m a ，有些可以达到l 彳以上。 与小功率l e d 相比，大功率l e d 的优势显著，必将在未来照明应用中占有 重要地位。目前应用广泛的小功率l e d ，由于发光强度比较小，在使用中为了 达到照明的需要，需要将多个l e d 通过电路连接在一起，这样即造成了线路异 常复杂和散热不畅等许多问题，而且为了平衡多个l e d 间的电流电压关系必须 设计复杂的驱动电路。而大功率l e d 的单芯片功率已远大于小功率l e d ，供电 线路相对简单、物理特性稳定【1 2 1 、散热结构完善，并且大功率l e d 器件的体积 相对较小，安装简单，可靠性比小功率器件稳定，虽然说相同条件下小功率l e d 与功率型l e d 的发光效率差不多，但l u m i l e d s 公司的研究表明，功率型l e d 比咖5 m 聊的l e d 的寿命更长。因此，大功率l e d 成为半导体照明器件的主流是 必然的。 1 2 2 影响l e d 发光效率的因素 发光效率是评价l e d 光学性能的重要指标。提高发光效率的两个基本出发 点是提高内量子效率和外量子效率【1 3 】，主要受制于外延材料、芯片制备技术和 封装技术。 如之前提到的，l e d 发光的核心部分是p - n 结，因此外延材料是l e d 的核 心部分，它基本决定了l e d 的亮度、波长( 光色) 和正向压降等光电参数，因 此说它是影响l e d 发光强度和发光效率的最关键因素。近些年，随着外延技术 的进步，外延材料生长有了很大突破。m o c v d 外延生长技术和工艺技术的成熟， 使得红光l e d 的内量子效率可达9 9 【1 4 , 1 5 】，因此通过提高l e d 内量子效率来提 高其发光效率的空间很小。因此提高外量子效率是提高l e d 发光效率的有效途 径之一，外量子效率的表达式如下： r , 。t = r i mx 巴 ( 1 2 ) 其中为内量子效率，提高的空间不大。巳为光提取效率，这是提高l e d 外 量子效率的主要手段。 影响l e d 光出射的损耗【1 6 】有：衬底或材料的吸收、临界角损耗和菲涅尔损 耗。 天津工业大学硕士学位论文 衬底或材料的吸收是由材料本身的能隙、缺陷以及杂质掺杂的存在引起的， 出射光被衬底或材料吸收后，形成内部热，影响l e d 的性能。其中解决衬底或 材料对光吸收这一损耗的方法有在l e d 结构中增加布拉格反射层或者利用直接 键合方法制备透明衬底结构等。 临界角损耗是由于光由高折射率材料出射到低折射率材料空气时，光线的折 射角大于临界角而发生全反射，导致光线无法出射引起的，解决这一损耗的方法 有表面粗化结构、光子晶体结构等。 菲涅尔损耗是光从一种介质射向另一种介质时，因入射角度和极化方向的不 同，会有一部分光在介质内部反射，从而使光形成波导最终成为内部热，导致无 法出射。 目前，大功率l e d 的电子空穴对复合所产生的能量中，有9 0 成为内部热 被损耗掉【1 7 】，过多的热不但影响了l e d 的发光效率，而且会使l e d 的性能降低， 缩短l e d 的寿命。如果将这部分内部损耗的热能充分利用，通过某些方法将其 转换成光从l e d 射出，则会使l e d 的发光效率得到很大提高。 1 2 3 提高l e d 发光效率的方法 目前，国内外提高l e d 发光效率的方法很多，常用到的有分布布拉格反射 层( d b r ) 结构、透明衬底结构、倒金字塔型结构、表面粗化结构等，下面简单 介绍几种提高l e d 发光效率的方法。 ( 1 ) 制作透明衬底l e d ( t s l e d ) 这种方法是为了减少l e d 衬底对光的吸收，将g a a s 衬底换成透明衬底， 使光从l e d 底面出射。这种方法是在l e d 晶片生长完成后，移去透光率很差的 n g a a s 衬底，然后利用外延技术生长出禁带较宽的、透光率好的导电层。但是 这种技术中生长的透明层价格昂贵、生长难度大并且很难与有源层实现好的匹 配。另一种技术是粘合技术，是将两种不同性质的晶片粘合在一起，并不改变原 晶体的性质。这种方法不需加任何粘合剂而可以直接将两晶片熔合到一起，如图 1 3 所示，首先腐蚀掉g a a s 衬底【l 引，并使用高温单轴力将外延片粘合到透明的 n g a p 上【1 9 , 2 0 ，形成g a p 衬底一有源层- g a p 的结构，这种结构可使光从六个面 射出，从而量子效率可从原来的4 提升到2 5 3 0 【2 1 1 。1 9 9 4 年，h e w l e t t p a c k a r d 公司【2 2 】就开始生产透明衬底( a 1 。g a l 。) o 5 i n o 5 p g a pl e d ，并获得当时最高亮度的 i ，e d 。 第一章绪论 l i g a a s i l 彩z 缓。，。，磁 高温单轴力 一 g a p 一 图1 - 3 制备透明衬底l e d 的示意图 g a p 窗口 异质结 激发层 衬底 ( 2 ) 表面粗化技术 这种方法是为了减少l e d 的临界角损耗。光从半导体材料出射到空气介质 时，由于半导体材料折射率大于空气折射率，导致大于临界角的光线发生全反射 而无法出射，如图1 - 4 ( a ) 所示。 图( a ) 粗糙化前 图( b ) 粗糙化后 图l _ 4 表面粗化前后光出射示意图 将表面粗糙化后，之前满足全反射定律的光线改变方向，在另一小的界面或 反射回原表面时，不发生全反射而透过界面，如图1 - 4 ( b ) 。优化的表面粗化结构 可使出光效率达5 4 以上【2 3 】。 ( 3 ) 使用电流阻挡层( c u r r e n tb l o c kl a y e r - c b l ) 电流阻挡层( c b l ) 【2 4 】的方法是通过刻蚀与化学气相淀积，在元件结构中淀 积s i 0 2 ，通过绝缘的s i 0 2 来调整电流的路径，如图1 5 所示。 天津工业人学硕士学位论文 图( a ) l e d 电流路径图图( b ) 使用电流阻挡层的结构图 第一章绪论 l e d 的器件结构参数进行设计及计算模拟，通过对比不同的光子晶体结构参数， 得出提高l e d 出光效率的最佳的光子晶体结构参数，并利用a s a p 软件设计三 种l e d 模型，通过对比三种l e d 模型的光通量，对光子晶体结构提高l e d 出 光效率进行评价。 第五章对本论文的工作内容进行总结，对今后的工作进行展望。 天津丁业人学硕士学位论文 l o 第二章人功率红光l e d 的制各及工艺改进 第二章大功率红光l e d 的制备及工艺改进 2 1 红光l e d 外延片 2 1 1 红光l e d 的外延材料 外延材料是l e d 的核心部分。其中l e d 的波长、亮度、正向电压等主要光 电参数基本取决于外延材料。发光二极管对外延材料的技术要求有以下四条： ( 1 ) 适合的禁带宽度 p n 结注入的少数载流子与多数载流子复合发光时，释放的光子峰值波长与 禁带宽度的关系式如下： 见1 2 4 0 e g ( n m )( 2 1 ) 其中e g 的单位为电子伏特( e y ) ，波长的单位为纳米( ，z ，1 ) 。可以看出半导 体材料的能隙e g ( 即禁带宽度) 决定着l e d 发光的波长或频率。通过调整多元 半导体化合物材料的组分改变e g 的值，可以得到不同波长的光。 ( 2 ) 可获得完整性好的优质晶体 发光二极管的发光效率容易受到晶体的空位、位错等缺陷以及氧等外来杂质 的影响，因此，制备高效率发光二极管需要有完整性好的优质晶体。晶体的优劣 与晶体生长的方法密切相关，选择合适的外延技术，精密地控制外延层内在质量 及各层界面的缺陷，对制备超高亮度l e d 外延片来说至关重要。 ( 3 ) 可获得高电导率的p 型和n 型材料 p - n 结是l e d 发光的核心部分，优良的p n 结受p 型和n 型外延材料的影响。 因此需要通过外延掺杂工艺获得高电导率的p 型和n 型材料。一方面，p 区与n 区的载流子浓度应足够高( 通常掺杂浓度不应小于lx1 0 17 c ) ，以便获得较大 的结电场。另一方面，应尽量选取高迁移率材料，以便减小正向串联电阻，获得 较高的体电导率。在工艺上，是通过外延掺杂工艺获得这两种导电类型材料，因 此，适当的外延工艺和掺杂材料以及适当的掺杂温度和浓度，是获得高电导率材 料的重要因素。同时，l e d 外延材料的质量也直接受制于掺杂的均匀性。 ( 4 ) 发光复合几率大 提高电子- 空穴对的发光复合几率是提高发光效率的重要手段，直接跃迁型 半导体材料中的发光复合几率明显大于间接跃迁型半导体材料中的发光复合几 率，因此l e d 制备中多使用直接带隙材料。 天津工业大学硕士学位论文 近些年，广泛用于制作红光l e d 的半导体材料主要是i i i v 族化合物的组合， 如g a a s 、g a p ，或是由掺杂其他元素形成的如g a a s l 。p x 、g a l 嚷a 1 。a s 等三元晶 体及i n g a a s p 、a 1 g a l n p 等的四元晶体。这些材料的带隙宽度适合于发出可见光 第二章大功率红光l e d 的制各及t 艺改进 ( 2 ) 如今m o c v d 外延生长技术已经成熟，并且采用合适的衬底材料g a a s ， 可以制得完整性好的优质晶体。 ( 3 ) 可以制成优良的p n 结，不仅可制得p 型晶体、n 型晶体，而且两种晶 体的电导率可以制的很高，从而可有效提供发光所需电子和空穴。 ( 4 ) 当a i g a l n p 中的a 1 组分值x 0 5 3 时为直接跃迁型材料【3 4 】，发光复合几 率大，发光效率高。 2 1 2a 1 g a l n p 材料制备的l e d 结构 如之前所述，要得到高亮度l e d ，即提高l e d 的发光效率从两方面实现： 一是提高内量子效率，需要选择新型优良的外延材料，改进器件结构，从而增加 电子注入效率，增加辐射复合。目前获得发光效率高的l e d 多通过在发光区增 加双异质结构或量子阱结构【3 5 , 3 6 1 来减少非辐射复合的几率。二是提高外量子效 率，增加出光效率，改进器件的封装工艺。 器件结构的设计需要注意两个方面：一是使注入载流子的非辐射复合尽量减 小，二是尽量减小结构材料对已辐射出的光子的再吸收损耗。本课题中使用器件 的结构为在有源层采用双异质结结构，项盖层采用p g a p 的电流扩展层，在托 底层中生长一层分布布拉格反射器( d b r ) ，如图2 2 所示。下面详细介绍不同 层的作用。 ! ；i ：i ： 一 ：。! ：目 p g a p p a l g a i l l p i 捌g a i l l p n 创g a i r l p 图2 - 2a 1 g a l n p 发光二极管外延片结构图 ( 1 ) 有源层一双异质结结构 本课题的外延片有源层采用的是双异质结p i n 结构，双异质结的使用有利 于制备高亮度发光二极管，因为这个结构可使有源层与周围的宽带隙窗口材料 g a p 结合，降低材料对发出光的吸收，并且可使器件形成波导，改善端发射效率 以及光束方向性。双异质结的能带结构如图2 3 所示。 ：| | 【 天津工业大学硕+ 学位论文 皿碰i 口 血 堑 鞭 位置 图2 3 双异质结结构能带示意图 发光区( i a 1 g a l n p ) 为非故意掺杂的本征区，其厚度一般很薄，目的是为 了减少有源区对光的吸收。发光区两侧为掺杂灿的p 型和n 型限制层，根据之 前介绍的a 1 g a l n p 材料的禁带宽度随舢组分的增加而增大，p 型和n 型限制层 通过增加m 组分的掺杂浓度和厚度，来增大限制层的禁带宽度，从而起到限制 少数载流子的作用。但是高浓度a l 组分的a 1 g a l n p 材料掺杂浓度饱和度低，尤 其是高越组分的p 型限制层，热阻大、散热性能差，生长出高质量高掺杂a l 组分的a i g a l n p 材料困难较大。并且生长较厚的p 型和n 型限制层，不仅容易造 成新的晶格缺陷产生，而且造成材料的浪费。因此在生长过程中要选择合适的限 制层的厚度和掺杂浓度。在双异质结结构中，p 型和n 型限制层不仅起到约束少 数载流子，增加电子空穴对复合几率的作用，还起到了窗口作用，即由于发光 区两侧限制层的禁带宽度较大，使得从发光区出射的光很容易通过两侧限制层出 射，从而减小了光的吸收几率，有效提高了l e d 的量子效率。 ( 2 ) 顶盖层一电流扩展层 由于p a 1 g a l n p 限制层的掺杂浓度饱和度低，很难实现高掺杂，因此p 型限 制层的电阻率较高，并且该层的迁移率较低，从而扩展效应较差，如果直接在这 层的上方蒸镀电极，则会导致注入的电流主要集中于电极下方，出光区也集中于 电极下方，导致器件的大部分光无法出射，l e d 的出光效率低。 为了解决这一问题，一般在p 型限制层上方生长一层电流扩展层，这层一般 选用出光效果好，电导率高的材料，便于注入电流能够尽可能均匀的分布在整个 器件，使光能够均匀出射。本课题中采用的电流扩展层材料为g a p ，g a p 具有很 好的化学稳定性，高的电导率和迁移率，本身为间接带隙材料，对红光透明的优 点，因此g a p 被广泛应用于a 1 g a l n p 材料的红光l e d 的电流扩展层的制备。电 流扩展层对注入电流的扩展效果取决于该层材料的电导率和厚度，当g a p 的厚 度大于7 t a n t y 7 】时才能起到对注入电流的扩展作用，因此，该课题中选用的外延 片的电流扩展层厚度为8 a n 这样即达到了对注入电流的扩展作用，也有效的节 第二章大功率红光l e d 的制各及工艺改进 约了成本。 ( 3 ) 托底层一布拉格反射层 由于g a a s 衬底对红光有很强的吸收作用，所以从有源层发出的光以及从p 型层反射回来的光大多数被g a a s 衬底吸收，造成光损耗，并且被吸收的光转换 成热能，对器件的性能造成影响。因此，人们采用在衬底和n 型限制层之间生长 一层分布布拉格反射层以减少衬底对光的吸收。布拉格反射层( d b r ) 材料是由 与衬底晶格匹配的两种不同折射率的材料交替叠加而成的一种结构【3 8 】，其反射 率的大小由这两种材料的折射率差决定。通过将有源层射向衬底的光反射回去， 减小衬底对光子的吸收，提高光的出射效率。 g a a s 外延片衬底具有质量高、易获得、易沿晶向断裂等优点，并且a i g a l n p 材料通过调节组分后可与g a a s 衬底晶格匹配，因此g a a s 多作为a 1 g a l n p 材料 制备l e d 的衬底材料。g a a s 衬底多采用低指数方向的( 1 0 0 ) 面盯g a a s ，它可使 a 1 g a l n p 的无序性提高，减少了非辐射复合中心的数目，同时也可以使n 电极得 到好的欧姆接触。 2 1 3 外延片测试 制备a 1 g a l n p 材料外延的方法主要是有机金属化学气相淀积技术【3 9 柏】 ( m o c v d ) 。该技术通过热分解反应将i i i 族、i i 族元素的有机化合物与v 族、 v i 族元素的氢化物在衬底上进行气相外延，生长化合物晶体薄膜。m o c v d 技 术不仅可以生长出高结晶质量、高纯度、高均匀度的大面积薄膜，而且可以生长 薄膜厚度控制在原子量级的不同材料，如异质结、量子阱、超晶格等。因此是现 在制备a 1 g a l n p 材料外延应用最广泛的外延技术。 外延片的质量决定着l e d 的光电特性及可靠性，因此要对生长好的外延片 的表面形貌特征、材料发光均匀性、有源区发光波长、各薄层的掺杂浓度及化合 物组分、材料组分均匀性以及材料掺杂均匀性等特性进行检测后，才能进行l e d 芯片的工艺制备。 本课题采用的外