（微电子学与固体电子学专业论文）倒装红光led结构优化与外延生长.pdf

摘要 摘要 2 0 世纪9 0 年代初，随着红、橙、黄色a 1 g a i n p 高亮度l e d ( l i g h t e re m i t t i n g d i o d e 发光二极管) 的实用化，揭开了l e d 发展新篇章。由于l e d 具有功耗低、 体积小、寿命长、驱动电压低、发光效率高、坚固耐用以及单色性佳等优点， 这些高亮度l e d 已在很多领域上吸引着人们的兴趣，例如全色彩屏幕显示器、 汽车用灯、背光源、交通信号灯、景观照明等。近年来这些高亮l e d 开始取代 传统的白炽灯和卤素灯，基于l e d 的固态照明正引发人类照明史上的又一次伟 大革命。但由于其发光效率仍然不够高，不足以取代荧光灯。因此，如何进一 步提高发光二极管的发光效率，将l e d 内部产生的光提取出来，对于高亮度 l e d 而言，是一个最主要技术瓶颈。 本论文围绕新型倒装发光二极管进行了深入的理论分析和实验研究，通过 理论计算、材料生长实验及测试、器件制备和测试等对m o c v d 生长条件和 a 1 g a i n p 红光l e d 的外延结构进行优化。本文的主要研究工作归纳如下： 首先介绍了l e d 的工作原理和现阶段红光l e d 的典型结构，分别从内量 子效率和外量子效率两个方面分析了目前红光l e d 存在的主要问题；其次介绍 了a 1 g a i n p 材料的外延制备设备m o c v d 系统的原理和应用；再次从材料 生长和外延结构两个方面对倒装红光l e d 进行系统的研究。 在材料生长方面：研究了与g a a s 衬底匹配的a i g a i n p 材料的m o c v d 生 长，失配度可控制在+ 1 0 0 0 p p m 以内：研究了p 型a 1 g a i n p 限制层对发光效率 影响，确定了p 型a 1 g a i n p 限制层的掺杂浓度为l - - , 2 x 1 0 1 8 e m - 3 ；研究了v i i i 比对a i g a i n p 材料生长的影响，发现适当降低i i 比，将有助于改善材料的匹 配度，提高材料质量和外延片的均匀型；理论分析了g a p 窗口层的作用和设计 要点，研究了g a p 窗口层分层掺杂c p 2 m g 的方法，包括温度和v i i i 对掺杂特 性的影响。 在结构设计方面：研究了n 型欧姆接触层的选择，发现增加g a a s 层作为 欧姆接触层时，器件电压可从原来4 v 降低到3 v 左右；研究了g a i n p 腐蚀停层 的厚度与腐蚀速率之间的关系，发现厚度为6 0 n m 时腐蚀效果最佳；优化了n 型( a i o 7 g a o 3 ) o s i n o 5 p 的结构，发现n 型( a l o 7 g a o 3 ) o s i n o s p 的厚度为2 5 0 0 n m ， 并且中间增加一层2 5 n m 的g a i n p 时，器件结果要好于其他情况。 最后将我们设计的外延结构制备成器件。通过与常规a i g a i n p 吸收衬底 l e d ( a s l e d ) 和带有d b r 的a i g a i n p 吸收衬底l e d ( a s l e d ( d b r ) ) 电、 光特性的比较，证明新型全方位反射a 1 g a i n p 薄膜l e d 结构能极大提高亮度和 效率。在2 0 m a 的正向电流下，o d r l e d 的光输出功率和流明效率分别是 摘要 a s l e d 的3 2 倍和2 2 倍，是a s l e d ( d b r ) 的2 倍和1 5 倍。o d r l e d ( 2 0 m a 下峰值波长6 2 7 n m ) 的轴向光强达到1 9 4 3 m c d ，是a s l e d ( 2 0 m a 下峰值波 长6 2 4 n m ) 轴向光强的2 8 倍，是a s l e d ( d b r ) ( 2 0 m a 下峰值波长6 2 3 n m ) 轴向光强的1 6 倍，达到国内领先水平。 关键词倒装红光发光二极管；铝镓铟磷；磷化镓；全方位反射；金属有机物化 学气相沉淀 a b s t r a c t a bs t r a c t w h e nh i 曲b r i g h t n e s sa 1 g a l n pr e d ，o r a n g ea n dy e l l o wl e d i nt h ee a r l y19 9 0w e r e i n t r o d u c e di n t ot h em a r k e t p l a c e ，t h et h o u g h to fu s i n gl e df o rg e n e r a li l l u m i n a t i o n b e c a m ear e a l i t y d u et ol o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s m a l lv o l u m e ，l o n gl i f e t i m e ，l o w d r i v ev o l t a g e ，h i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y , s o l i da n dg o o dm o n o c h r o m a t i c i t y , v i s i b l e h i g h b r i g h t n e s sl e d h a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n gi n t e r e s ti na p p l i c a t i o n ss u c ha sf u l l c o l o ro u t d o o rd i s p l a y s ，a u t o m o t i v el i g h t i n g ，b a c kl i g h t i n gs o u r c e s ，t r a f f i cs i g n a l s ， a n dl a n d s c a p ei l l u m i n a t i o n ，e t c t h e s eh i g hb r i g h t n e s sl e dh a v es t a r t e dt or e p l a c e t h ec o n v e n t i o n a li n c a n d e s c e n tl i g h tb u l b sa n dh a l o g e nl a m p si nr e c e n ty e a r s s o l i d s t a t el i g h t i n gb a s e do nl e dh a sc r e a t e da n o t h e rr e v o l u t i o ni nt h eh i s t o r yo ft h e l i g h t i n gi n d u s t r y b u tt h e i rl u m i n o u se f f i c i e n c y i ss t i l ln o te n o u g ht or e p l a c e f l u o r e s c e n tl a m p t h e r e f o r e ，h o wt of u r t h e ri m p r o v et h el u m i n o u se f f i c i e n c yo fl e d a n de x t r a c tt h el i g h tg e n e r a t e di nt h ea c t i v el a y e ri sak e yl i m i t a t i o nt ot e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n tf o rh i g hb r i g h t n e s sl e d i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sf o c u s e so naw a f e r - b o n d i n gr e d l e d t h ee p i t a x i a ls t r u c t u r ea n dm a t e r i a lg r o w t hc o n d i t i o n sa r eo p t i m i z e db yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，m a t e r i a le x p e r i m e n t s ，d e v i c ef a b r i c a t i o na n dt e s t s d e t a i l so fr e s e a r c h a r el i s t e da df o l l o w s ： a tf i r s t ，t h el u m i n o u sm e c h a n i s mo fl e da n dt h et y p i c a ls t r u c t u r eo fr e dl e da r e s i m p l yi n t r o d u c e d ，t h ep r o b l e m st h a th a v ee x i s t e di nr e dl e d a tp r e s e n th a v eb e e n r e s e a r c h e df r o mt h ei n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c ya n de x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y r e s p e c t i v e l y ；s e c e n d l yt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fm o c v ds y s t e mw h i c hi s u s e df o ra 1 g a i n pm a t e r i a le p i t a x i a lg r o w t hi si n t r o d u c e d ；a n dt h e n t h e w a f e r - b o n d i n gr e dl e d i sg e n e r a lr e s e a r c h e df r o mm a t e r i a lg r o w t hc o n d i t i o n sa n d t h ee p i t e x ys t r u c t u r e r e s e a r c hr e l a t e dt om a t e r i a lg r o w t hc o n d i t i o n si n c l u d e s ：g r o w t ho fl a t t i c e m a t c h e d a 1 g a i n pm a t e r i a l w eo b t a i nm a t e r i a lw i t hm i s m a t c hs m a l l e rt h a n + 10 0 0 p p m ； i n f l u e n c eo fp - a 1 g a l n pc l a d d i n gl a y e ro nl u m i n o u se f f i c i e n c y , a n dt h es u g g e s t e d p - t y p ed o p i n gc o n c e n t r a t i o ni sl - 2 x 1 0 1 8 c m 。；i n f l u e n c eo fv - i l lr a t i oo na 1 g a l n p m a t e r i a l g r o w t h ，t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w st h a tt h eq u a l i t ya n du n i f o r m i t y i n c r e a s e db yp r o p e r l yd e c r e a s i n gt h ev - i l lr a t i o ；p - t y p em gd o p i n gp a t t e r n so fg a p w i n d o wl a y e r , a n da l s ot h ed o p i n gc o n d i t i o n ，s u c ha s i n f l u e n c eo fg r o w t h t e m p e r a t u r ea n dv - i i ir a t i o i - a b s t r a c t r e s e a r c hr e l a t e dt ot h ee p i t c x ys t r u c t u r ei n c l u d e s ：a f t e rr e s e a r c h i n go nt h ec h o i c eo f n t y p eo h m i cc o n t a c tl a y e r s ，w ef i n dt h ef o r w a r dv o l t a g ec o u l dr e d u c ef r o ma b o u t4 v t o3 v , w h e nw ei n c r e a s e dag a a sl a y e ra so m h i cc o n t a c tl a y e r ；a f e rr e s e a r c h i n gt h e r e l a t i v i t yb e t w e e nt h et h i c k n e s so fg a l n pe t c h i n gs t o pa n de t c h i n gr a t e ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h e6 0 n mi st h eb e s tt h i c k n e s s ；a n dt h es t r u c t u r eo fnt y p e ( a 1 0 7 g a o 3 ) 0 5 1 0 - o 5 pw a so p t i m i z e d ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h e t h i c k n e s so fnt y p e ( a l o 7 g a 0 3 ) 0 5 i n o 5 pw a s2 5 0 0 n ma n da d dag a l n pl a y e ri n ( a 1 0 7 g a 0 3 ) 0 s l n o 5 pm a t e r i a l ，t h er e s u l t si sb e t t e rt h a na n o t h e rc o n d i t i o n f i n a l l y , h i g hb r i g h t n e s sa 1 g a l n pt h i n - f i l ml e d 、析t 1 1o d rh a sb e e nf a b r i c a t e d t h e o p t i c a la n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo d r l e dw e r ep r e s e n t e da n dc o m p a r e d t oc o n v e n t i o n a la i g a i n pa b s o r b i n gs u b s t r a t e s ( a s ) l e da n da 1 g a l n pa b s o r b i n g s u b s t r a t e s ( a s ) l e dw i t hd i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ( d b r ) ag r e a ti m p r o v e m e n t i nt h eb r i g h t n e s sa n de f f i c i e n c yw a so b s e r v e d i ti ss h o w nt h a tt h el i g h to u t p u ta n d l u m e ne f f i c i e n c yf r o mt h eo d r l e da tf o r w a r dc u r r e n t2 0 m ae x c e e dt h o s eo f a s - l e db ya b o u taf a c t o ro f2 2a n d1 2 ，r e s p e c t i v e l y , a n dr e s u l ti n 2xt h el i g h t o u t p u to fa s l e d ( d b r ) a n d 一1 5xt h el u m e ne f f i c i e n c yo fa s - l e d ( d b r ) 1 9 4 3 m c dl u m i n o u si n t e n s i t yf r o mt h eo d r l e d ( 2 0 m a ，p e a kw a v e l e n g t h 6 2 7 n m ) c o u l db eo b t a i n e du n d e r2 0 m ai n j e c t i o n ，w h i c hi s2 8a n d1 6t i m e sh i g h e r l u m i n o u si n t e n s i t yt h a nt h a to fa s l e d ( 2 0 m a ，p e a kw a v e l e n g t h6 2 4 n m ) a n d a s l e d ( d b r ) ( 2 0 m a ，p e a kw a v e l e n g t h6 2 3 n m ) ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hi sl e a d i n g i nc h i n ac u r r e n t l y k e yw o r d s ：w a f e r - b o n d i n gr e dl e d ；a 1 g a l n p ；g a p ；o d r ；m o c v d 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京工业大学或其它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。 签名：篮 日期：埤坌塑塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名：卫 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：避日期：! 矬 第1 章绪论 自发光二极管( l e d ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 诞生以来，人们一直致力子如 何提高l e d 的发光亮度和发光效率，降低生产成本。高亮度、高效率l e d 的发 展突破了传统l e d 由于亮度较低，一般只能作为指示灯或在室内显示使用的局 限，将其应用范围扩展到了更广阔的城市景观、室外大屏幕显示、交通信号灯、 显示光源和固态照明等领域。半导体l e d 及其应用被认为是2 l 世纪最具发展前 景的高技术领域之一。 1 1 课题背景及意义 1 1 1 高亮度发光二极管研究背景 据专家介绍，我国半导体照明市场2 0 0 1 年为1 2 亿美元，2 0 0 2 年市场约为 1 6 亿美元。美国能源部预测，到2 0 1 0 年美国将有5 5 的白炽灯和荧光灯被半导 体灯替代，每年节约电费可达3 5 0 亿美元，半导体灯将形成5 0 0 亿美元的大产业。 面对半导体市场的良好前景和巨大诱惑，一场抢占半导体照明新兴产业制高点的 争夺战在全球悄然打响。 面对这场产业革命和巨大的市场空间，美国、日本、欧盟、韩国、中国台湾 等国家和地区相继推出了发展半导体照明产业的国家和地区计划，以加大研究开 发力度。比如日本投资5 0 亿日元推行“2 1 世纪光计划”( t h el i g h tf o r2 1 s tc e n t u r y ) ， 提出2 0 0 6 年用半导体灯大规模替代传统白炽灯，预期2 0 1 0 年达到1 2 0 1 m w ， 发光波长在3 9 9 n m 处发光的l e d 量子效率达3 1 ；美国能源部设立了有1 3 个 国家重点实验室、公司和大学参加的“半导体照明国家研究项目”( n a t i o n a l r e s e a r c hp r o g r a mo ns o l i ds t a t el i g h t i n g ) ，计划用1 0 年时间，耗资5 亿美元开发半 导体照明；欧盟则委托6 个大公司、2 所大学，于2 0 0 0 年7 月启动了“彩虹计 划”( r a i n b o wp r o j e c ta i i n g a nf o rm u l t i c o l o rs o u r c e s ) ；我国台湾地区也在组织实施 相关计划，设立了有1 6 个生产科研和大学参加的“2 l 世纪照明光源开发计划”【l j 。 与此同时，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团都已经 启动了大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立了 l u m i l e d s 、g e l c o r e 、o s r a mo p t os e m i c o n d u c t o r s 等半导体照明企业，纷纷投入到 氮化镓基l e d 照明光源的研发和产业中来，提出要在2 0 2 0 年前，将半导体灯发 光效率再提高8 倍，价格降低1 0 0 倍。 我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，半导体照明产业有着一 北京工业大学硕士学位论文 定的产业基础。面对半导体照明的历史机遇，2 0 0 3 年6 月1 7 日科技部联合信息 产业部、中国科学院、建设部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等 十一个地方政府成立国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动国家半导体照 明工程。 我国是仅次于美国的第二发电大国，2 0 0 3 年度我国发电总量为1 9 1 万亿千 瓦时，照明用电量约占总发电量的1 2 ( 约2 1 0 0 亿千瓦时) ，相当于三峡水电 站总发电量的2 4 倍，并且正以每年5 以上的速度增长。以现有照明用电量5 的速度增长，2 0 1 0 年照明用电量将达到3 0 0 0 亿千瓦时，如果三分之一的照明市 场采用半导体照明，每年可节电3 0 ，即年节电1 0 0 0 亿千瓦时，是三峡电站年 总发电量8 4 7 亿千瓦时的一倍还多。 中国的电力生产中约8 0 为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量 的粉尘和c 0 2 、s 0 2 等气体，环境污染严重，l e d 产品的应用可以减少电力使用， 也间接减少了环境污染【2 】。由此可见，发展半导体照明光源对节约能源、减少污 染、保护环境，带动新型制造业的发展，促进国民经济的可持续性发展具有巨大 的推动作用。因此积极研究半导体照明新技术，加快发展半导体照明产业具有重 大的经济意义和社会意义。 1 1 2 高亮度发光二极管的研究意义 发展高亮度发光二极管对节约能源、减少污染、保护环境，带动新型制造业 的发展，促进国民经济的可持续性发展具有巨大的推动作用。 ( 1 ) 节约能源，保护国家安全我国是仅次于美国的第二大发电国，2 0 0 3 年度我国发电总量为1 9 1 万亿千瓦时，照明用电量约占总发电量的1 2 ( 约2 1 0 0 亿千瓦时) ，相当于三峡水电站总发电量的2 4 倍，并且正以每年5 以上的速 度增长。解决我国能源危机的办法除了进行电站建设和新能源开发外，另一可行 的办法就是节约能源的消耗。 ( 2 ) 绿色环保中国的电力生产中约8 0 为火力发电，燃烧大量的原煤和 石油，产生大量的粉尘和c 0 2 、s 0 2 等气体，环境污染严重，l e d 产品的应用可 以减少电力使用，也间接减少了环境污染。同时l e d 具有无频闪、耐震、耐冲 击、废弃物可回收等特点，不像白炽灯泡那样易碎，也没有荧光灯废弃物的汞污 染等问题。 ( 3 ) 符合新型工业化道路的方针我国是照明生产和出口大国之一，发展半 导体照明可以提高我国照明电器行业中高端产品、高技术产业的比重，提升照明 电器行业的国际竞争力。同时半导体照明产业具有技术密集和劳动密集型双重特 点，在我国发展半导体照明产业，不仅可以形成新的产业和出口增长点，而且可 第1 章绪论 以节约能源、减少环境污染并充分发挥我国劳动力资源优势，符合“十六大”提出 的走新型工业化道路的指导思想。 ( 4 ) 发展自主知识产权的半导体照明新兴产业半导体照明是目前世界研发 的重点领域，许多技术尚不成熟，有形成自主知识产权的机会，尤其是在深紫外 技术、s i c s i 及g a n 衬底、g a n 外延层激光剥离、z n o 单晶膜上生长g a n 外延 层等方面有可能取得关键技术突破。 ( 5 ) 改善人民生活质量随着经济的告诉发展，人民消费水平和消费观念的 变化，发展半导体照明可以改善生活环境，提高生活质量，有利于小康社会的建 设。半导体照明色彩丰富的特点，可以满足人们在显示、照明、服装、装饰、手 机等多方面的需求。 1 2 发光二极管的历史与发展 1 2 1 发光技术的历史与发展 人类自从发现火的使用以后，就从未停止过对光源发光技术的追求与探 索。如图1 1 所示，在大部分的人类历史中，照明工具以燃烧取火为主要手段。 十八世纪末，爱迪生发明了白炽灯( i n c a n d e s c e n t ) ，从此人类进入了用电换光 明的时代，但是发光效率和效果都处于相当低的水平。随后出现了更加高效的荧 光灯( f l u o r e s c e n t ) 以及各种节能灯，其发光效率得到了大幅提高，成为目前照 明应用中的主流产品。发光二极管和荧光灯基本同时出现，但早期由于材料和制 备技术的限制，l e d 的性能很低，而且初期的发光波长也仅限于红光。由于亮 度低、颜色单一和效率差等不足，早期l e d 只能应用于仪器设备的指示灯等显 示范围，无法满足照明、景观显示、汽车尾灯等高亮度应用的需要。 最近十年以来，高亮度、全彩色一直是l e d 材料和器件工艺技术研究的前 沿课题。高亮度a 1g a l n p 和i n g a nl e d 的研制进展十分迅速，现已达到常规材 料g a a i a s 、g a a s p 、g a p 不可能达到的性能水平。目前，高亮度l e d 的性能水 平已经超过白炽灯并可与荧光灯相媲美，但由于生产成本偏高，因此还没有真正 推广到通用照明领域。 i ! 查三些奋耋耋圭茎堡耋蚤 圈i - i2 0 0 年间不同发光技术发展情况 f 谊l i2 0 0 - y e a r e v o l u t i o n o f l u m i n o u se f f i c a c y f o r d i f f o r c n t l i g h t i n g t h n o l o g i c s 1 2 2 红光l e d 的发展 如图1 - 1 所示，早期的红光l e d 的采用掺n 的g a p 和g a a s p 材料，但这两 种材料制备的器件发光效率和输出功率都很低，其原因是：g 舯与g a a s 衬底 之间的晶格失配导致产生大量位错；g a p ：n 材料为间接跃迁辐射发光，在大注入 电流条件下，其辐射复合率将发生饱和现象，无法制备高亮度、大功率l e d 器 件。随后出现的是a l x g a l - x a s 材料，它可以用于红外和红光波段的l e d 器件， 发光效率较好，但是随着a l 组分的升高，a i g a a s 材料逐渐由直接带隙变为间接 带睬，非辐射复合中心随之增加，因此a i o a a s 在红光和更短的可见光范围内发 光效率仍然很低。 最近出现的是( a i x c m l x ) y m l - y p 材料，它是直接带隙材料。最大带隙宽 度为2 3 e v ，且随着a l 组分的变化，辐射光波长可以覆盖从红光到绿光的可见 光范围并且该材料的晶格常数与g a a s 衬底相匹配，为制各高质量的器件提供 了可能。基于a i g a l n p 材料的l e d 最早出现于二十世纪八十年代中期，并与有 机金属气相外延( m o c v d ) 技术的发展密不可分。a 1 c , - a l n p 材料首先被用来制 各半导体激光器嗍，随后几年相继出现用m o c v d 制备高质量a i g a i n p 材料的报 道m 随后基于a i g d n p 材料的l e d 便迅速发展起来，发光波长从红光到黄绿 光，经过多年的理论研究和工艺发展。a i g d n p 红光l e d 的性能得到大幅提高， 目前世界最高水平的器件外量子效率已经达到5 0 以上。 自1 9 6 2 年第一支商用发光二极管问世以来，发光二极管材料及外延制各技 术的发展先后经历了以下三个阶段州： 第一阶段：以氯化物气相外延( v p e ) 为主要手段的g a a s p 材料发光二极管， 第l 章绪论 但g a a s p 材料与g a a s 衬底之间存在较大失配，材料质量较低：而由于氯铝化 学键较强，导致含铝材料生长困难；另外氯化物气相外延反应产物中存在h c l ， 具有腐蚀性和强毒性。 第二阶段：以液相外延( l p e ) 为主要手段的g a p ：n 和a 1 g a a s 材料系发光二 极管的发展：液相外延的材料质量较好，但是外延层的形貌、厚度和组份的均匀 性难以控制，因此在生长陡峭界面、大面积多层薄层结构时受到了限制。 第三阶段：以有机金属化学气相沉积( m o c v d ) 为主要手段的a 1 g a l r t p 和 a i g a i n n 材料系及z n t e s e 和z n c d s ei i v i 族材料发光二极管的发展；另一个分 支是s i c 为主的一族材料。 随着半导体材料生长技术和工艺技术发展及市场需求的增加，半导体发光二 极管的性能将不断提高，应用范围将日益广泛。目前发光二极管的主要发展方向 就是高亮度、全色化、低成本、长寿命。可以预见，在不远的将来，高亮度l e d 将逐步取代其它光源，成为应用最广泛的新一代全能光源。 1 3 高亮度发光二极管的特点与应用 1 3 1 高亮度发光二极管的优势性能 传统白炽灯和荧光灯主要存在的问题是真空器件体积大，易碎，发光效率低。 原因是白炽灯低温黑体辐射，日光灯短波紫外线激发波长更长的红绿蓝荧光粉发 光，能量效率低，寿命短。半导体发光二级管的特点是直流驱动、相应快、体积 小、寿命长、全固体、结构简单、无毒、理论光效率高。其中比较显著的优势有： ( 1 ) 节能相同发光强度下，l e d 的电能消耗尽相当于白炽灯的2 0 左右。 ( 2 ) 寿命长l e d 可以正常工作万小时甚至1 0 万小时，使用寿命是普通灯 管的数十倍、维护简单。 ( 3 ) 使用电压低l e d 工作电压一般在3 5 v 以下。 ( 4 ) 开关时间短l e d 响应时间1 微秒至几毫秒，为现有光源的o 5 3 。 ( 5 ) 环保l e d 发光无频闪，废旧器件可以回收再利用，不会产生荧光灯 内汞等重金属废弃物对环境的污染。 1 3 2 高亮度红光l e d 的典型应用 高亮度红光l e d 具有非常广泛的用途，图1 2 给出了以前、现阶段和未来 l e d 的应用热点，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 大、中、小屏幕显示器各种广告牌、体育记分牌、金融和交通指示牌 北京工业丈学硕学位论文 等，分为全色、三色、单色显示屏，全国共有1 0 0 多个单位在开发生产，2 0 0 2 年全国市场超过2 0 亿元，几乎全部采用国产显示屏。 ( 2 ) 汽车用灯汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和 外部的刹车灯、尾灯、侧灯、头灯等均在逐步采用l e d 显示。据报道2 0 0 1 年 全世界超高亮度l e d 在汽车上的用量占2 6 的份额一部汽车可用l e d 芯片 2 0 0 到3 0 0 个，我国汽车工业正处于大发展时期，对超高亮度l e d 的需求旺盛。 ( 3 ) l c d 背光源液晶显示器( l c d ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 上用的背光 源，有白色和其他各种颜色，现阶段手机背光源用量也非常大，一年要用3 5 亿 个l e d 芯片。据报道。全世界2 0 0 1 年超高亮度l e d 在背光源上的用量占3 0 的份额。目前我国手机生产量很大，而且大部分l e d 背光源还是进口的。 ( 4 ) 交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色l e d ，因为采用l e d 信号 灯既节能可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而 且推广的速度很快，市场需求量很大。 ( 5 ) 景观照明、装饰灯及各种专用显示器该市场用量很大估计每年用量 为几十亿个l e d 芯片。 ( 6 ) 通用白光照明红光l e d 主要作为一个主要部分，与蓝、绿光l e d 一 起合成发出白光。己开始从小功率白光l e d 灯用起，如安全照明灯、显微镜灯、 白光背光源、手电简等，并逐步向通用日常照明迈进。 厦竖l e d a p p 匮蓟 m o b i e f u t u r e ： 图1 - 2 l e d 的典型应用 f 幢l - 2 t y p i c a l a p p l i c a t i o no f l e d 一氇一圃垫葛圃一瞄霹竺翌地圃弼一 一盎昌善一 第1 章绪论 1 4 本课题的主要工作内容 本文阐述了a 1 g a i n p 发光二极管的发光机理和出光情况，分析了限制l e d 出光效率低的原因，并提出解决方法。结合m o c v d 外延技术，详细介绍了倒 装红光发光二极管的外延过程。通过对制备出的器件进行各种测试及比较，不断 优化生长工艺，从而得到理想的倒装红光l e d 器件。其中工作主要包括以下几 个部分： ( 1 ) 介绍了l e d 的相关知识和目前l e d 发展水平，阐述高亮度红光l e d 的 应用领域。 ( 2 ) 介绍了发光二极管的工作原理和红光l e d 的典型结构，针对红光l e d 的 典型结构，详细分析了现阶段红光l e d 存在的主要问题； ( 3 ) 介绍了倒装l e d 的基本结构和o d r 结构，通过应用计算机模拟的方法， 计算出s i 0 2 a uo d r 和d b r 的发射特性，理论上证明了相对于传统d b r 结构， 倒装结构能够大幅度提高器件性能。 ( 4 ) 利用先进的m o c v d 生产设备，优化生长参数，对了红光l e d 材料生长 进行了系统的研究：得到了与g a a s 衬底匹配良好的a 1 g a i n p 外延材料，同时发 现即使在v i l l 比足够大( 大于2 5 0 ) 的情况下，v i l l 比对材料的生长速度，晶 格匹配度和光学特性仍然有影响：通过材料生长实验，确定了( a l o 7 g a o 3 ) 0 s i n o s p 材料的n 型和p 型掺杂浓度；研究了g a p 材料中c p 2 m g 的掺杂特性，包括生长 温度和v i i i 比对g a p 窗口层掺杂浓度的影响。 ( 5 ) 设计倒装红光l e d 外延结构：研究倒装红光l e d 欧姆接触层材料的选择、 g a i n p 腐蚀停层厚度和腐蚀速率的关系，确定g a i n p 腐蚀停层的厚度和确定适合 表面粗化的n 型( a l o 7 g a o 3 ) o 5 i n o s p ( s i ) 的结构。并测试实际器件，分析结果。 第2 章倒装红光l e d 的基本原理及其优势 2 1 发光二极管的工作原理 目前使用的大部分灯具钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管 ( l e d ) 的发光原理则与大部分灯迥然不同。 发光二极管的实质性结构是半导体p - n 结，在半导体p - n 结通以正向电流 。( a l x g a l x ) o 5 pp - ( a l o 7 g 诎洲i n op x = o o 5 。7 + 。 e f v 图2 1 典型n - p p 双异质结( a l 。g a l 成5 i n o 5 p 发光二级管的能带图 f i g 2 一- t h ee n e r g yb a n do ft y p i c a ld o u b l eh e t e r o j u n c t i o n ( a l , , g a l 】0 0 5 i n o s pl e d 时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导 体p - n 结的发光的实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态 的电子跃迁的结果。发光二极管主要由上、下限制层和发光的有源区构成。 为了实现高的电子注入效率，早期的发光二级管采用双异质结结构。以 a 1 g a l n p 红光l e d 为例，其能带结构如图2 1 所示1 7 】。在正向偏压下，电子从n 型限制层注入有源区，由于p 型限制层与有源区的带隙差别a e c 以及p 型掺杂 所导致的导带势垒的升高a e ，在p - - i 异质结处会形成限制电子的能带台阶a e c + e ，来有效的约束电子，使其在有源层积累：同理，从p 型限制层注入的空 穴也被有效的限制在有源层内。电子空穴对在有源区中辐射复合发出光子，其 能量近似等于有源区禁带宽度的能量差。 2 2 红光l e d 的典型结构 a 1 g a l n p 红光l e d 的高亮度化一直是l e d 研究的热点之一。提高发光管 北京工业大学硕士学位论文 亮度的方法，一是改进半导体材料和结构设计，其次是改进器件的封装工艺。 发光二极管的结构设计主要集中在两个方面：其一，获得良好质量的晶体，减 少注入载流子非辐射复合。其二，减少已辐射光子的再吸收损耗。图2 2 和图 2 - 3 分别显示了一个已封装完成的l e d 和一个未封装的红光l e d 管芯。 正 图2 - 2 红光l e d 封装示意图 f i g 2 - 2a ne n c a p s u l a t e dr e dl e d p 欧姆接触 p - 电蒎扩展 p - 双稿层 姗w 订萄区 n 限制层 n - g a 凰缓冲膳 n - g 剐吣 图2 - 3 典型的红光l e d 管芯 f i g 2 - 3at y p i c a lr e dl e d 典型的a i g a l n p 红光l e d 芯片如图2 3 ，可分为四个部分：有源层、限制 层、顶盖层和托底层。 ( 1 ) 有源层 带宽宽度合适，复合发光的几率大，具有晶格匹配的衬底，可获得质量好、 电导率高的p 型和1 1 型晶体等是选取半导体发光材料的几个先决条件。最早的 发光二极管通常采用异质结西i n 结构，而后又发展产生了双异质结有源层和多 量子阱有源层。有源层为非故意掺杂的本征区。我们实验中采用的是多量子阱 结构，多量子阱结构能增强对载流子的限制作用，减小载流子的泄露，另一方 面，对于a 1g a l n p 发光二极管还可以利用量子尺寸效应在不增加a l 组分的情 第2 章倒装红光l e d 的基本原理及其优势 况下得到较低的发射波长，如图2 - 4 所示，从而实现较高的辐射效率及较高的 亮度，同时半峰宽( f u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ) 减少，可靠性得到改善。具体情 况与垒层厚度、阱层厚度有关。多量子阱的结构设计，首先要考虑的是能够在 尽量低的a 1 组分阱区材料下获得特定的波长，保持r 谷与x 谷间隙尽量大。 以g a l n p a 1 g a i n p 有源区材料为例，由于垒区越组分在x 0 3 以下氧的污染较 小，所以一般垒区a 1 组分在x = 0 3 较好。而阱区不含舢组分，为g a l n p 。为 了减少有源区对光的吸收，有源区的厚度一般很薄( 阱、垒宽度都为7 - s n m ) 。 a 崛t h po 毫h pa l ( ；| h p 图2 - 4 量子阱中的电子跃迁 f i g 2 - 4e l e c t r o nt r a n s i t i o ni nq u a n t aw e l l ( 2 ) 限制层 发光区两侧的p 型和n 型限制层有两个作用：其一，约束少数载流子。限 制层都是高a 1 组分材料，禁带宽度比发光区大，注入到发光区的电子和空穴 被有效地约束在发光区，增加了复合的电子一空穴对数：其二，窗口作用。由 于限制层的禁带宽度比发光区大，发光区发出的光