（微电子学与固体电子学专业论文）hbled器件结构研究.pdf

毕南帅范人学坝i 学位论立 贷 5 0 3 8 q 。 ，： 摘要 q 叫 i 如何提高高亮度发光三趑管( h b l e d ) 的亮度是一项极具理论和经济效益 的课题。实践证明，通过改变器件结构可以大大提高h b l e d 的亮度。y 本论文结合完成的超高亮度发光二极管半工业化实验项目，提出了改进的 h b l e d 器件结构，提高了l e d 亮度。采用p n 渐变异质结替代现行的p - n 突 变异质结，不仅有效提高了发光亮度，而且改善了器件质量。 本文从理论上分析此结构改进的合理性和有效性，得到一系列地结论。并且 用双层突变拟合渐变方式进行芯片生长，实验结果符合理论分析。 本文还针对高亮度发光二极管的器件结构中重要的退拄厦结结麴( d h ) 和 多量子阱( m q w ) 结构进行了系统的，深入的分析和研究。分析了每一种结构 在载流子输运、载流子限制和复合等方面产生的作用，从而阐明了这两器件结构 是如何提高h b l e d 的发光亮度。 i 本文的主要工作如下： 1 在理论上提出在h b l e d 器件的d h 结构中使用p n 结的渐变异质结替代现 行的p n 突变异质结。分析采用异质结渐变方式将增加h b l e d 的电流注入比， 减小内建电势，改善晶体质量，并且不影响p n 结对空穴的限制。此举将会有效 提高发光亮度。 2 通过模拟不同渐变长度下的能带形状，得出结论：不同渐变长度下，最佳渐 变方式并不相同。渐变长度较短时，高斯渐变和抛物线渐变是最佳渐变方式，能 带形状更适合载流子输运。渐变长度较长时，线性渐变是最佳渐变方式，能带形 状更适合载流子输运。 3 在三种不同掺杂情况下，通过数值模拟得出消除能带尖峰所需的最小渐变长 度。并且得出结论：n 型掺杂浓度越高，消除尖峰所需的渐变长度越短。 4 由于渐变异质结在实现上存在一定的困难，因此我们提出了用双层突变异质 结拟合渐变异质结。并且通过拟合能带边，得出最佳的两层组分分配。通过计算， 得出第二层的最佳突变位置。并且从实验结果看，双层突变异质结有效提高发光 亮度，改善了器件参数，晶体质量变好。 5 通过推导，得出一个计算化合物半导体异质结内建电势的公式。内建电势是 一个重要的参数，通过它可以得到很多异质结的相关参数。得出的公式与相比传 统公式更简单、实用。并且准确度较高。 6 全面分析双异质结结构( d h ) 在h b l e d 中的重要作用。d h 结构不仅提高 了载流子注入比并且加强了载流子限制作用，提高了辐射复合的效率，使得 h b l e d 的亮度大幅度提高。并且引入模拟异质结的数学模型。总结异质结生长 方面的问题。 7 全面分析多量子阱结构( m q w ) 在h b l e d 中的重要作用。采用m q w 结 构可以减小相同发射波长下材料中的铝组分，从而改善了晶体大的质量。m q w 结构比d h 结构更加有效的限制载流子，增加辐射复合效率。从而提高了发光亮 度。总结了m q w 生长。引入了模拟m q w 的数学模型。1 y ! ! ! ! 业篓叁兰堡! 兰篁堡兰 一 a b s t r a ( 了 h o wt oe n h a n c et h eb r i 【g h t n e s so fh i g hb r i g h t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d ei sa v a l u a b l ep r o b l e mi nt h e o r ya n di ne c o n o m y i m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo ft h ec h i pc a n g r e a t l ye n h a n c et h eb r i g h t n e s so f l e d i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fa p p l y i n gp - ng r a d e dh e t e r o j u n c t i o ni n s t e a do fp - n a b r u p th e t e r o j u n c t i o n h a v eb e e n a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a n dm a n u f a c t u r e d e x p e r i m e n t a l l y , a n dg r e a tp r o g r e s sh a sb e e no b t a i n e d i nt h i st h e s i s e a c hs t r u c t u r ei nt h el e dc h i ph a s a n a l y z e d d e e p l y a n d s y s t e m a t i c a l l y n e e f f e c to fe a c hs t r u c t u r eo nt h et r a n s f e ro ft h e c a r r i e r , t h e c o n f i n e m e n to ft h ec a r r i e r , t h er e c o m b i n a t i o no ft h ec a l t i e rh a sb e e na n a l y z e d t h em a i nw o r ki ss h o w e da sf o l l o w ： 1 a p p l i n gp ng r a d e dh e r e r o j u n c t i o ni n s t e a do fa b r u p t o n ei ss t u d i e dd e e p l yi n t h e o r y , a n dt h ec o n c l u s i o ni st h a ti tw i l le n h a n c et h ec u r r e n ti n j e c t i o nr a t i o d e c r e a s e t h eb u i l t i nv o l t a g e i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec r y s t a la n di tw i l ln o ta f f e c tt h e c o n f i n e m e n tt ot h eh o l e i te n h a n c e st h eb r i g h t n e s se f f e c t i v e l y 2 n eb a n dp r o f i l ei ss i m u l a t e db yt h em a t h e m a t i cw a y w eg e tt h ec o n c l u s i o n w h e nt h eg r a d i n gl e n g t hi sc o m p a r a t i v e l ys h o r t ，t h eb e s tg r a d i n gw a ya r cg a t ha n d p a r a b o l i cw a y w h e nt h eg r a d i n gl e n g t hi sc o m p a r a t i v e l yl o n g ，t h el i n e r a lg r a d i n g w a y i st h eb e s to n e u n d e rt h eb e s tg r a d i n gw a y , t h e s h a p eo f t h eb a n d p r o f i l ei sm o r e p r o p i t i o u st ot h et r a n s f e ro f t h ec a r r i e r 3 u n d e rt h et h r e ed i f f e r e n td o p i n gd e n s i t i e s ，w eg e tt h el e a s tg r a d i n g l e n g t ht om a k e t h es p i k ev a n i s h w e g e tt h ec o n c l u s i o n ：t 1 l eh i g l l e rt h ed o p i n gd e n s i t yi s ，t h es h o r t e r g r a d i n gl e n g t hi sw a n t e d t om a k et h es p i k ev a n i s h 4 a st h e r ei ss o m ed i f f i c u l t yt om a n u f a c t u r et h eg r a d e d h e t e r o j u n c t i o n ，w ep u t f o r w a r dt h a ti tc a nu s ed o u b l el a y e ra b r u p th e t c o j u n c t i o nt ot a k et h ep l a c eo ft h e g r a d e dh e t e r o j u n c t i o n w eg e tt h eb e s td i s t r i b u t i o n so ft h et w ol a y e ra n dt h eb e s t a b r u p tp o s i t i o n f r o mt h er e s u l to ft h ep r a c t i c e ，t h i ss t r u c t u r ee n h a n c e st h eb r i g l l t n e s s o fl e d e f f e c t i v e l y , i m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h ec r y s t a la n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o ft h ed e v i c e 5 af o r m u l ai s d e d u c e dt oc a l c u l a t et h eb u i l t i n v o l t a g e o ft h e c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r w ec a n g e ts o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf r o mt h eb u i l t i nv o l t a g e n e f o r m u l ai sm o r e s i m p l y a n du s e f u lt h a nt h eo r t h o d o xo n e ，a n dt h e a c c u r a c yi sh i g h 6 t h ee f f c c to ft h ed ho nt h eh b l e di sa n a l y z e d a p p l y i n gd hc a ne n h a n c et h e i n j e c t i o nr a t i o ，s t r e n 【g l 【h e nt h ec o n f i n e m e n tt ot h ec a r r i e ra n de n h a n c e dt h ee f f j c i e n c y o ft h er e c o m b i n a t i o n t h i sm a k et h e b r i g h t n e s sg r e a t l ye n h a n c e t h em a t h e m a t i c m o d e lo fd hi se d u c e d t h eg r o w t ho fd hi ss u m m a r i z e d 7 n ee f f e c to ft h em q wo nt h eh b - l e di sa n a l y z e d a ic o n t e n tw i l ld e c r e a s ei fu s i n g m q we v e nt h es a m ee m i t t i n gw a v e l e n g t h a n di tw i l li m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec r y s t a l m q w h a v et h es a m ee f f e c to nh b l e da sd h ，b u tb e t t e rt h a nt h a t t h em a t h e m a t i cm o d e li se d u c e d t h e g r o w t ho fm o w i ss u m m a r i z e d 堂! ! 业些叁鲎竺! ! ：兰垡堡苎 一一! i 鱼 绪论 发光二极管是结型发光器件。主要结构是p - n 结结构。在p - n 结加证向电压 l 卜，以高效率发出可见光或红外光，简称l e d ( l i 【g h t e m i t t i n g d i o d e ) 。 l e d 具有把电能直接转化为光能的特点。它和白炽灯相比，具有如下的优 点【1 1 ：1 ) 尺寸小、重量轻、易小型化和集成化；2 ) 亮度高，驱动电压低( 一2 0 v ) ， 功耗小( 在2 v 下，电流为5 - 2 0 m a ) ，易与集成电路匹配；3 ) 寿命长( 在 1 0 - 3 0 m a c m 2 下，可达1 0 8 1 0 9 h ) ：4 ) 响应时间短( 几十个n s ) ；5 ) 冷光源；6 ) 全固体化，机械性能好，可靠性高：7 ) 选择不同的半导体材料，控制不同的掺 杂元素和浓度，可获得各种波长的光。 发光二极管的发展过程可分为三个阶段。第一个阶段是以氯化物外延v p e 手段为主的g a a s p 材料系发光二极管，由于g a a s p 材料系与g a p 衬底之间有较 大的失配，材料质量受到很大的限制。第二阶段是以液相外延( l i e ) 手段为主 g a p 和a 1 g a a s 材料系发光二极管。第三阶段是以有机金属气相外延( m o c v d ) 手段为主的a i g a l n p 和a i g a l n n 材料系及z n t e s e 和z n c d s ei i v i 族材料发光 二极管，另一个分支是s i c 为主的族材料。 图0 - 1 l e d 材料系和发光效率的发展历程 随着发光二极管材料生长技术的发展和制备工艺的完善，发光二极管的发 光效率每十年有一个大的飞跃，商品化l e d 的发光效率几乎每十年提高一个数 量级。 可见发光二极管的发展主要是材料的发展和器件结构的改进。人们摸索了超 过三十年，到今天有了很大的进步。波长为6 2 9 n m 的红色二极管的外量子效率 超过1 7 ：6 0 4 r i m 的橙色二极管的外量子效率为1 1 5 ，绿色为6 3 ，蓝色超 过9 。目前，最亮的l e d 的性能可以和自炽灯相比i 】。 早在1 9 6 0 年左右，人们意识到结构完整的族元素是不适合制作可见光发 光二极管。因为它们不仅禁带宽度太小，只能发出红外的光子，而且是间接带隙 半导体，转化效率低。纯的i i i v 化合物半导体也存在着一些问题：i n s b ，i n a s ， g a s b ，i n p ，g a a s 是直接带隙半导体，但带隙太窄；g a p 带隙大，可以产生绿光 的光子，但它是间接带隙半导体。为了制作高亮度发光二极管。不同的实验室采 取了两种不同的方法来。一种是在宽带隙的g a p 中掺杂。另一种方法是应用合 会3 导体，增加带隙能量，使发出光子的能量处于可见光区同时保持材料处于直 =呈，s嚣目nf_)xu口u奄日呲譬o甚鼍h 兰壹塑兰查兰篓! 翌璧堡墨! i 鱼 竣带陈。聪在a i g a l n p 瑗元系合金系统被认为是在红光捌绿光范溺内，发毙效率 檄离的嵇科。 提高技光效率对于h b - l e d 是关键所在。 提裹发毙效攀一般袁溅芋孛途径：一个楚增搬光提敬效枣。增绷g a p 巅屡的 簿壤1 3 冀；发光= 掇蓄的彩、捩稳凡秘结构懿改变l 霹；程魄辍下燕疆秘瀑嘲；奄控揍 反射器m 糖炎出串y ! l 式( t a n d e m ) i 蚍、混合式( h y b r i d ) b o t 戏啁啾( c h i r p e d ) 柿拉格结构 l u , 1 z l 等等。 另一个途径怒通过器件物理研究，改变器件络构。增加电予注入效率，同时 减少羧a 载浚予兹渡失窝饕辐麓鬟合遥戏鼹损失。翔予发光二投蛰多蟹予辫结擒 i 1 3 j ：近来低惫艨共振整镰褥i 媾“l ；张应力毽层臻予器壤结壮醚等等。 在器件结构上，经历了从同质结，帮异质结，双弊质结( d h ) ，d h m m q w ( 双冥襞缝多量予辨) 结构。同矮结的媳流注入比魁幽p - n 结硝边的掺杂浓度 e 薅决定鹩。糕异薅结中，注入魄蹩交装繁宽度蓑撑必捺数矮决定瓣。”。溪瘸双 舞矮结，剩蹋了綮带宽度之麓造戚豹势垒爻雩注入载流予豹黢割终翅，疆离载漉予 瓣羧裁俸怨。激羯了m o w ，减少了寿源送铝缓矜豹盘量，缤短了肖源区长度， 大大降低了材料的自吸l l 殳。但m q w 在控制波长方面较d h 结构黼难。 l e d 将期蓉下砸的必个方翱发展： 1 ) 商亮度； 2 ) 全色化； 3 ) 低成本； 4 ) 长寿命。 发光二极蛰楚亮度的擞麓靼全色纯以彀其媲优点，大大扩爨l e d 的成用颁 竣。主要瘫畿五大方蘧。 1 ) 交通灯，汽车尾灯： 2 ) l c d 背光源； 3 ) 产羚大整嚣示羼 4 ) 逶绩必源； 5 ) 囱色光源。 h b l e d 以萁高亮度、潜效带能和邵绦安全瓣特蕊，已经是耪褥戮广泛芙 泣和在加速开发的新型网体光源。与追求单模、低阈镳、窄线宽的半导体激光器 不褥夔燕，发党二辍譬逡求祗注入亳流下敬离亮发秘燕效率。对予农照鞠与曼承 授术中酶应餍黉q 褥掰关心霹觅光谱区靛多色往。 用以肯6 遗商性能h b + l e d 的材料、器件和相应技术下表所示： 袋0 1 越高亮度l e d 商品技术 材籽技术簇琶起鲶年 傍 a i g a a s l p e ，m o c v d 红外、红1 9 8 3 ( 8 8 0 n m - - 6 5 0 n m ) a l g a l n pl p m o c v d短、澄、饕、绿1 9 9 l ( 6 5 0 n m 一5 6 0 n m ) i n g a n蕈粒m o c v d绿、蓝、紫羚1 9 9 3 ( 5 2 5 n m , - 3 8 5 n m ) 2 挣澎簿莲夫荦母! i 。学梭论史 绪论 袭0 - 2超离亮度笈光= 稷警霾裁蛉槛戆状悫 材料颜跑峰值波结构外量子照明效率 长( n r a )效率( )( 1 瑚，w ) a l g a a s红6 5 0d h84 红6 5 0d h t s1 68 a 1 g a l n p窆6 3 6d h - t s2 43 5 3 红6 3 2m q w t s3 27 3 7 橙效6 2 0d h62 0 橙6 1 0t l p m q w * t so 1 0 2 ( 1 0 0 m a ) 橙6 0 7d h 坷s5 0 3 蹬5 9 8t i p - m q w - t s垮 6 8 0 0 0 m a ) 琥珀 5 9 0d h * t s 1 04 0 黄5 8 5d h52 0 黄绿5 7 0d 辍憨2王4 绿5 2 5s o w t s6 31 8 t n g a n绿5 弼d 露2 1 4 绿5 2 0 s q w - t s 1 1 63 0 蓝4 5 0d h t s 5 5 ，1 5 5 0 蘩羚 4 叠s 2 8 3 兰鎏塑篓叁兰篓| 堡整鎏墨 鳘鎏 参考文献： 方志歹唾，半等体发_ 毙孛考料稻器件，箍登大学舞敝社，上海，1 9 9 2 ，p l 【2 】g b s t r i n g f e l l o w e t a l ，h i g hb r i g h t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d e ，a c a d e m i cp r e s s ， 1 9 9 8 ，p 。2 1 3 l h h u a n g ，j + g y u ，e ，奠k u o ，e ta l ，a u g u s tt 9 9 2a p p l 。p h y s l e t t 。6 tp p 1 0 4 5 1 0 4 7 ； f 4 1 邓云龙铘2 0 0 2 6 发光学报2 3p p 2 5 5 * 2 6 0 1 5 l 嚣c a u s a ，j s a t m a ，s y u n u sa p p l i e do p t i c s - l e 4 1p p 5 0 4 5 5 0 5 0 f 6 1h 。s u g a w a f a ，kl t a y a ，m i s h k a w a1 9 9 2j p n j + a p p l p h y s 3 1p p 2 4 4 6 2 4 5 1 弼t s a k a ，h 。h i t a t a n i ，王t a k a ，1 9 9 3 ，t j ；a p p l p h y s 。7 3 p p 3 8 0 * 3 8 3 f 8 社耗d u t t a ，y - 2u e d a ，砭h a r a1 9 9 7 。1 2i e e e p h o t o n i c s t e c h n o l o g y l e t t 9p 弘1 5 6 7 - 1 5 6 9 【9 】w l e e1 9 9 5 1 2a p p l p h y s l e t t 6 7p p 3 7 5 3 * 3 7 5 5 【1 0 1h + s u g a w a r a ，托i t a y a , g h a t a k o s h i1 9 9 4 。1 tj p n j ，a p p l ，p h y s 。3 3p p 。6 1 9 5 - 6 1 9 8 。 1 1 s s 。j ，c h a n g ，s cc h a n g , y 耗s u 1 9 9 7 + 2i e e ep h o t o n i c s t e c h n o l o g yl e t t 91 8 2 - 1 8 4 1 2 1 珏s u g a w a r a ，羲i t a y a ，g h a t a k o s h i1 9 9 3 + 91 a p p l i e dp h y 蠡c s + 7 4p p 。3 1 8 9 - 1 3 9 3 ， 1 1 3 】s j 。c h a n g , c s 。c h a n g , y 歉s u ，魏鼍c h a n g , y r ，黻l ，k h h u a n g , t e c h e n1 9 9 7 1 2i e e p r o c - o p t o e l e c t r o n 1 4 4p p 4 0 5 4 0 9 【1 4 1 王wg r a y , y s ，j a l f l i ，en s t a v r i n o u , m 。w h i t c h e a d ，g p a r r y , 丸j o e l ，r r o b j o h n ，r p e t r i e , s ，h # 罐鞣，要g o n ga n dg ，d u g g a n 2 0 0 9e l e c t r o ni t t 。3 6p p 1 7 3 0 - 1 7 3 1 ， f 1 5 】r w i r t h ，c k a m u t s c h ，s 轴g l e ks t r e u b e l2 0 0 1 5i e e e p h o t o n i c s t e c h n o l o g yl e t t 1 3p p 4 2 l 一4 2 3 f 1 6 ls 。j c h a n g , c s 。c h a n g ，yks u ，p t c h a n g , yr w u ， 差h u a n g , a n dt 孰c h e n 1 9 9 7 。9i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t 91 1 9 9 - 1 2 0 1 。 f i 彳】寞蘸囊，半簿落异袋结物理，辩学懑_ 隈径，1 9 9 0 ，索，p 8 2 4 兰窭堑篓叁兰塑! 兰篁燕苎 一篓二皇一 第一章高亮度发光二极管 发光二：极管，即l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，楚一静通过同质p - - n 结戏异质 缩电注入，自发辐射发射非相干光的发光器件，无阂值器件| l l 。笈光二裰管的特 性是发射的光量子有比较窄的光谱范围n 谱宽由参与光辐射复合的导带和价带 载流孑分蠢爨决定，一般为凡十缨米，毙l d ( l a s e rd i 。d c ) 毫出一个数量极p j 。发 光= 极管魁一种电。光功率转换效率较低的器件，绝大部分输入电功率变成了热 能【。 裹亮鹱发光二缀管( h i g hb r i 盛t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d e ) 莛霹觅光二辍管。 人眼的响应仅局限于波长为0 4 m 0 7 “m 这个狭小的范围，可用来制作可见光 l e d 的半母体材料的禁带宽度应落在1 8e v 2 8e v 之间忙1 。 l ，1l e d 的工作原理1 6 1 当材料处于热平衡状态时，光发射和光吸收两个过校保持平衡。因此，欲使 半导体发光，必须采用某种激发方式使材料处于q # 平衡状态，通过非平衡载流子 豹复合壳缀搴| 辩鹣再吸狡，方麓後光姨半学俸串发射出来。注入式奄致发建是重 要的激发方法。 在现行豹l e d 中，存农鼹质p n 结构戏异质p n 结构的l e d 。分别讨论。 1 ) 闻质p n 结注入发光 当p n 结加正向偏压时，电子从n 区向p 区扩散，同时空穴从p 区向n 嚣扩教，侵缮半黪俸孛载流子分露从乎鬻变为裴乎麓。在实际的p n 缀中，扩 散长度远大于势惫区宽度，电子和空穴通过势垒隧时因复合消失的几率极小。于 是在正向偏压下，p - - n 结势垒区和两侧扩散区便注入了少数载流子。这些非平 衡戆少数载流予与多数载滚予复合，发瓣窭光予。 同质结发光器件必须采用重掺杂的材料。 ! ! ! j j j ，。j 弋：妻 ( a ) 幽l - i 同质p - - n 结注入发光过程 髯矮p - - n 结注入发巍 异质结的发光原理和同质结的基本相同。与同质结不同的是，由于p 区和n 嚣禁繁宽度不等( 瑕设n 区褥禁游宽度大予p 区褥禁带爨发对) ，此时势垒不对 称，对空穴的势垒比对电子的要商得多。电流主爱由电子从n 区进入p 区形成。 玩比较大的n 区为电子淀入源，而壤较小的p 区为复仑发光区，其辐射光谱特 燃主要决定予p 嚣瓣枣童睾罨。由予辩矮缭禁渗霆度麓形成豹势垒对空穴兹羧裁魄嚣 述的同质结强很多，所以其电予注入效难很高。并且由于n 区禁带宽度较大， 从p 区发射的光子进入浚区时不易被阳致收，因此发光效率比同质结高得多。 堂窭塑整墨堂塑! i 鲎簦鉴茎一蔓l 二! ! 在h b l e d 中，采瘸n n p 或n p p 双辩质结构。掇赢注入眈，使电子注入簸 率提高，隈湔少数载流子泄漏，大大减小了有源遮韵长发，减少了糖辩蚕赛瓣竞 予得吸收。发光效率显著键商。出于限制层的禁带宽艘大于有源联，因此对于光 予寒澄是逶鞠的，羰，j 、了然内骧牧。 节、 喀pl ：_ f _ 如n 鑫 、l 翻l 以转潢p n 结淀入发光过程 1 2 发巍二极管的特狡 描述发光二极管特性的主要物理量建发光效率和燕度。 1 ) 光谱辐射分布 发竞二莰鹫途蠢谱努露取决予半导钵鬻瓣。 最大波长：五；1 2 4( 1 1 、 、7 五单缎为t lm ，犟谴海e v 。发光二掇餐媳光谱分东号潺度窍关。 棼亮度 发光的p - - n 结可视为璇光源。亮度是指发光面猩所述发光方向的投影面b 撼单位面积的发光强度。党度不但依赖于发出光熊流凝大小，而鼠与人跟的主观 黪囊有关。戳巍甄效夺表示入羧熬感觉爱敏度，竣l e d 发蠢簿馕波长灸盖。，慰 斑酌疆舔数为毒。，嚣轰嶷转霹表示惫： 嚣一壹芝竽辔。矗 ( 1 。2 ) 懈 ，i 式孛e 是羧建舞遴豹畿爨分n 露爱数，x 。是最大炎魂巍螯，j 是p 箍缭静电瀛 密度，r f 莛外燕子效率。 3 1 发光效率 酶痰霪予散率 内爨子效率鼹晶体内郏发光光子数鸟通过p - - n 络的电子数的比值。 秘癸整予效率 外鼙予散攀怒辐翦剽辨部的兜子数与通过p n 绻簸电子数的比僮。 发光= 极管的外量予散率取决于它的结构。晶片系统内任何念艇射都会明最 躐小量予效率1 7 j 。 辐瓣复合产生赫走予在趣终没瓣黠产尘搂必，圭黉蹩竣下三方露1 ) l e d 秘謇辜内帮啜敢；2 ) 光簸拳等钵行遴到空气时由予掰辩率蓑舞弓l 藩的发射镄失；3 ) 入瓣翅大予撩豁霜80 熬炎在半等体与空气赛瑟笈垒全爱瓣孳| 怒瓣笈瓣免予援 失。 ”1 敷城滋，发兜效率怒攒穸 量予效枣。发光二极餐发_ 凫效率范蹶为o 3 | 3 拓一簪 电气参数 最重疆的电气参数是二二极管的正向电压v f 和难向电流1 f 。电气参数还包括 伏安蒋瞧。 爰岛电藤联凌予半导舔瓣豢滚、正国遗流露澄度t 。繇疆，在| 霹样戆灏试祭 件下，发出不同颜色的发光二极管由不同的正向电压。并且币向电压与温度有关。 溅发系数蠲徽巍d v r d t 束袭示。 发光二极管一般给定n 猩2 0 m a 下工传。 l e d 魏毫流一邀垂褥镶与曹邋蛰一魏绩楚一撵懿。燕窝镶压较小薤童，蒌囊魄 瀛主要是非辐瓣的复合电流格成：当正翔电压较大时，正离电流则国辐射复合电 流占优势：在更高的电压f ，二极管的正向电流会受剿串联电阻的限制。 l e d 瓣魄流i 8 l ： 。e x 掣卜e x p ( 掣 e t 固 r s 是器件的弗联电隰。i d 和l ，分别为来自扩散和复含的饱和电流。要增加 l e d 的功率输出，必须减小无辐射复合电流以及r s 。 1 3 高亮度发光二极管器件结构 正知前文骈说，提高发光效率对予h b - l e d 避芙键街在。 提离发光效率一般蠢疆糖途经：一令跫增加强提取效率，发光二投警建提取 散率是笈瓷二：檬饕蒋有的一个硬巍阕瑟，秘懿增魏g a p 奁晷瀚浮度8 ，茨 光二极管的形状和几何缩构的改变1 1 3 l ，程电极下加隰挡层也是为了有利于光的 输出【“i 。很多半导体激光器技术在这里得到应用，识是针对发光= 极瞥的特点 已经舂蒗变。铡舞在薤穰笈瓣嚣，在这壤鞋熬是为7 樽烈更多受输嫩l 琏瑚。并羹 港经演变懑鼹莰( t a n d e m ) o ”，混合式疆如矗毋臻l ，或瞩曦晒i 群舔攘壤结弱， 以有裂予宽带熙落的输融l 琥删。 另一个途径楚通过秣伟物理研究，泼变器件结构，灞加电予注入效率，同时 减少输入载流予的流失和目# 辐射复合造成的损失。量子1 l # 用于发光二极锊主要是 多量子漤结构，藤盈发瑗发兜效攀疆量予辫鼗靛壤麓藤瀵糍，黠褥岗发竞效率魄 羽奄拉辫爱瓣器遥好 2 l l 。j 黩w 柬还麓震戚一种商效攀低电疆共振腔缀构1 2 鞘l 。张斑 力包层用于器质缡也是为了减少电子损髓从而提离技光效率【2 4 1 。 曹先余绒l e d 的爽擞鳞梅。 典型的l e d 毅异戚结结构划分为三个组成郝分：双异质结鼷、顶羲层、撼 残罄。 电流扩展朦：p - - g a p 域g a a i a s 电流阻挡胺：n 一( a l ，g a ( 1 - x 加j l n o 5 p p 豫袋毒l 爱一f a l ；g k l m 孙i n o s p 寄源瑶一( a l 如“；，b l 堍5 p p 硝限靠l 胺一f a l ，g 。，s l n os p 南挺格反囊| 艨 g a a s 寸底 隧1 - 3 粪懋l e d 鼗舞褒站结鞫 瑟结 层 矮 层 箍 舞 腻 顶 双 拖 、r，气，；，；，卜， 警街鼬范夫学鞭 学筏论文 撼一r 搴 1 ) 双异质结层 在理锤豹h b l e d 中袋用突变双异矮结( p i n ) 。两边蚋限铡艨是毫铝组分， 对裁流子进行限制，因而载流子被限制在肖源区。i 区生长多量予阱结构，增加 限制在有源区的载流子复合，提离了内量子效率。 与嚣黢结箱魄d h 结秘主要鸯潋下绽点： 1 1 提高载流子向发光区的注入效率。d h 结构中利用了突变辩质结的性质， 提赢了注入比。并鼠剥用异质结对电子和空穴不对称的势垒，将电子和空 穴袋澍在有源区，瑙燕了复合尼率。 2 1 减小发光区的宽度，从而减少发光区的自吸收。 3 ) 透明限制鼷减少了体内吸收。两边的p 型、n 型隈制层最懑铝组分，禁 带宽度大于有源区的禁带宽发，对予出射巍是透明的，起了窗口的作用。 理想的d h 结构为p + i n 结构，但实际上背最载流子和杂质的扩散，使发光 嚣璺弱p 凝滞1 ，稳成v - p - r 缝鞠袋p - n - n 缝稳。 2 ) 顶盖层 项盖漂包括彀流扩震簏和电流隈挡屡。 a 、电流扩展层 电流扩展层蠢蹑种作羽：扩艘电流和扩展出光区。 电流扩展层的扩展毫流的俸粥效采取决于扩麓层的厚度和电蹲率。假设上电 极下电流注入是均匀的j o ，上电极外的电流分布w 用如下的近似公式1 2 6 ： 歹( r ) 一! k( 1 - 4 ) 仁+ 压1 tj r 为考察点到电极边缘的距离，1 。称为电流扩展长度 ；( 警) 侉s ， 1 。集中反映了邀滚扩袋层豹扩嶷效瘦。毫滚扩嶷墨戆邀导搴越大，浮度d 越大，p - n 结理想因子n 越大，l 。越大，电流扩殿作用越明显，各项作用的物理 机制是很明确的。用p 型g a p 作扩展层，2 l amw 以使电流显著扩展；1 5 - 5 0 u m 已经便惫滚扩溪达到好兹效票 离子5 e 社m ，慧静窭纛率基本不交 列。 厚度d 影响了出光丽积。如图所示： ( a ) 刚1 - 4 g a p 光f f f i 秘示意嘲 蟛旃蛳越人学坝i + 学位论义 第一章 汹胬中灰色部分是上出光蕊积，( b ) 圈中的荻色部分楚铡窭竞藤积。可觅隧 着厚度增加时，出光面积会增加。 电流扩展屡材料要求有商电导率和对出射光透明。电流扩展层一般采用 a i g a a s l 2 8 1 或g a p ”l 。a i g a a s 在高掺杂下保持高的迁移率，在砧缀分大于o 7 辩瓣于密封光逡鹱，著显与a 1 g a l n p 曩辏颡嚣。g a p 在离掺杂下迄露毅缲持裹韵 迁移率，并且因为是闻接带隙材料所以眈a i g a a s 更为遴明，但g a p 与a i g a l n p 晶格不太匹配，不过g a p 与a i g a l n p 的界面缺陷不会深入到发光区，对复合过 程无影响，并鼠只发生在开始的几层原予层中。 砩电流阻挡屡 在p 型限制层与电流扩展层之间，p 面电极正下方，生长一薄屎、较电极面 稍宽的n 型电流阻挡层。引入电流阻挡屡使电流全部注入到上电极以外，减小上 电极下方的光复合，减少因此被上电极吸收的出射光，姻此提高出光效率。 由予上奄投砖赛袈光懿墩浚，毫入撬窭惩透鞠毫援( i t o ) 。懿透囊宅辍菱 法与a 1 g a l n p 赢接形成欧姆接触，要在箕间再生长一鼷窄带隙的接触层，但这层 接触层会吸收出射光1 2 “。 3 ) 扼底层 g a a s 薅藏滟带隙较小，会吸收有源嚣发出的霹冤光，降低了乡 量子效率。 因此一般采用稚拉格反射屡或透明衬底技术，减少衬底吸收光子，摄黼出光效率。 g a a s 衬底般采用偏离正常晶向的牢寸底【3 0 l 。它可以提高a i g a i n p 的无序性， 减少非辐射复仓中心，使季导出射波长比使用延常晶向的树底时要变簸。 1 4h b - l e d 外延芯片 1 1 4m o c v d 技术概述 金属有梳纯学气褶沉积( m o c v d ) 又h q 金属有梳化学气褶姊惩( m o v p e ) ， 熄目前应用十分广泛的气捆外延生长技术。它是m a n a n s e v i t 在1 9 6 8 年提出的制 锯化合物半导体单晶材料的方法【3 1 】【3 2 】。8 0 年代以来得到了迅速的发展，日益显 示出在制各薄艨异质材料，特别是在生长量子阱和超懿格方疆的优越性。 m o c v d 采鬻i i i 族、掰簇约会藩有瓿亿合甥f 鲡t m g a 、t 鹾琢、下醚越1 秘v 族、族元素的氢化物( 如a s h 3 、p h 3 ) 作为源材料，以c p 2 m g 和s i h , 为掺杂剂。 i i i 族、族的融属有机化合物源材料放在敲泡器中，用飘气或惰性气体作为载气， 将其携带出来与v 族、族元素的氢化物源材料混合，通入反应室。当它们流经 鸯| l 热封疯表瑟瓣，在瓣底主发生熬分麓玟瘟，燕延生戏纯会物晶俸游貘。 m o c v d 技术反应式一般可表示为1 3 3 1 尺l m l + 尉2 一m 2 呻m i m 2 + r i r 2t( 1 6 ) m l = l t tm l = i im l = i vr l = c h 3 、c 2 h 5 9 母南师范人学硕i ：学位论义 墉尊 m 2 = vm 2 = v im 2 = v l r l = h 、 r 1 m 1 和r 2 + m 2 为反应的有机源材料。 要求1 3 4 1 ： c h 3 、c 2 h 5 作为m o c v d 的m o 源，般有以下 t ) 常温下为液姆，有适当聪且稳定的蒸气压，通过控制滋温、激愿鄹载气流量 泉保证髓熏现和精确控潮进入反应室的源款裁量。 2 ) 适当的热分解温度，在外延生长温度下基本完全分解，以提高源的利用率。 在生长温殿下活性较低，不与配合使用的其他源发生预反应；在储存温度下 要求稳定。 3 ) 易子合成与撬缝，鬓予撬缝弱9 9 9 9 9 汲上款褰缝发。 4 ) 低毒惶与霹接受的价格。 袭1 - 1 中列出了主要i i i 族m o 源的性质【3 5 l ： 澡纯合物缩写 熔点( ) ab a l ( c h 3 ) 3 a l t m 雉 1 58 2 2 42 1 3 4 1 8 3 源 ( c 2 h s ) 3 a 1 t e a l 5 81 0 7 8 43 6 2 5 g a ( c h 3 ) 3 g a t m g a - 1 5 。88 5 0 11 8 2 4 滚 ( c 2 h s ) 3 g a t e g a 8 2 59 1 7 22 5 3 2 1 n ( c h 3 ) 3 h l t m i n 8 81 0 5 2 03 0 1 4 源 ( c 2 h s ) 3 1 n t e i n - 3 21 1 潞42 8 5 1 m o c v d 技术日益受到广泛的重视，主要是由于飙有下列一些驻著的特点： 1 ) 可以合成雠意组分组成的人工合成材料，形成厚度精确控制到原子级的薄 貘。用亲生长囊：会貔器舞豹务组分和掺杂剡都是以气态懑入反应嚣，瑟固楣组分 又直接与气籀缀分裙对应。嚣就，可班逶避精确控铡蓊释气体滚薰来控镧外延屡 的组分、厚度、导电类型和栽流子浓度。w 以通过迅速改变气体组分和流速生长 薄到几埃、十几埃的薄层和多层结构。 2 ) 可制成大聪积均匀薄膜。因为材料生长豹速率是幽材料表面上反应的分子密 发凌浓疫决定瓣，在一定懿滋度下，气幸搴分子密度是蠢气蒋垂强壤一逮决定。出 于晶体生长是在单温区内以热分解进行，所以只要糟确控制气体流激和衬底温度 即可保持恒定的生长速率，工艺简单，便于获得大面积、厚度和组分均匀的外延 片及实现多片，土长，适于工业化批量生长。 3 ) 缝净的专葶料生长技本。幽于不使羯波髂容器( 铡翔撵蜗) 及低滋生长魏气相 爱应，使褥污染来源减弱最少。丽置有梳源特有的提缝技术使得m o c v d 技术 比其他半导体材料生长技术生长的材料纯度提高了一个数量级。 4 ) 灵活的气路控制技术。气体源的快速切换保证了陡峭异质结界面的形成。生 长过程全自动化控制，使褥入为随机困索减至最小，像涯了重复性。晶体生长速 率与l l l 族源夔供绘量残正跑，因瑟改变羧运量，藏可敬大耀菠恁改交夕 延生长速 度( 0 0 5 1 i j m ) 。 5 ) 低气压外娥生长是m o c v d 技术中很有特色的技术。l p m o c v d 的低气压， 可以减少生长过程中的存储效应和过渡效应，因而减少杂质缓变和缎分缓变，生 长爨陡螭麴铃延层赛霆：弼淡减少某些气媚中存害羧反瘦，硬予，羔长i n p 、 o 华辩姆范大学颤f j 学位论文 第一章 i n g a a s p 等含i n 、p 组分的化合物外延屡。l p m o c v d 的高速气体改善衬底上 方温度和反映剂的均匀性，肖助与改进生长层的均匀性。 1 4 。2m o c v d 生长设备 m o c v d 装黉歇反应室柬蓉有立式稻髓式，藤热方式有高频感应黼热帮辐射 加热，