（微电子学与固体电子学专业论文）高亮度algainp+led理论分析与外延生长研究.pdf

摘耍 摘要 l e d ( l i 曲t e re m i t t i n gd i o d e 发光二极管) 已经有3 0 多年的发展历史了。l e d 以其绿色环保、低耗节能、长寿命等诸多优点广泛应用于照明、交通指示、大屏 幕显示、液晶背光等领域。然而限制l e d 发展的原因是亮度不高和流明效率低， 主要有两方面的问题：( 1 ) 内量子效率问题。( 2 ) 光提取效率问题。目前的l e d 大 多是运用m o c v d ( m e t a l o r g a m cc h e m i c a l 、卸0 rd e p o s i t i o n 金属有机物化学气相 淀积) 的外延生长方法制备的。对于高亮度红光l e d 来说，生长高质量的有源层 其内量子效率几乎接近1 0 0 ，所以问题主要集中在光如何从l e d 内部提取出 来。高亮度红光l e d 生长在g a a s 衬底上，由于g a a s 衬底对红光的吸收很大， 使得l e d 的出光效率非常低，再加上出光窗口层大多为高折射率材料，量子阱 有源区发出的光只有少部分能出射到器件外，为了提高光提取效率，人们引入 d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e n e c t o r 分布式布拉格反射镜) 、o d r ( o i n n i d 拍c t i o n a l l y r e n e c t o r 全方位反光镜) 等结构、对l e d 表面进行粗化处理、引入表面图形等方 法来提高l e d 的光提取效率。本文讨论的就是如何提高l e d 发光效率，包括内 量子效率和光提取效率。 本文的主要工作如下： 1 首先介绍了a l g a i n p 发光二极管发展和应用，分析了目前高亮度a l g a i n p 发 光二极管存在的问题，并指出了本文的主要研究工作。 2 详细阐述了舢g a h 口发光二极管的工作原理，介绍了目前几种能有效提高 m g a i n p 发光二极管光提取效率的手段。 3 介绍了一种提高光提取效率的结构，它是利用o d r 作为反射镜的 r s l e d ( r e j f l e c t i v es u b m o u n tl e d 反射托底l e d ) 器件的结构、特点及制造工艺。 4 详细介绍了m o c v d 外延设备、源材料的性质、外延材料的特性、掺杂技术 等，从而优化设计各材料的生长参数。利用先进的m o c v d 系统外延实现了 砧g a i n p 体材料以及多量子阱结构的高质量生长，生长了具有高内量子效率的多 量子阱有源区。利用m o c v d 生长了用于o d r 结构的l e d ，并制备了器件，分 析了实验数据，得到了相关的结论。 5 介绍了一种基于蒙特卡罗法来对l e d 器件进行光提取效率计算的射线追踪 法，并利用此法对l e d 的表面织构进行数值模拟，得到了具有指导意义的结果。 关键词a l g a i n p ；r s l e d ；o d r ；射线追踪法 a b s t r a c t a b s t r a c t l e d ( 1 i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) h a sm o r e t 1 1 a n3 0y e a r so fd e v e l o p m e n th i s t 0 叫a l g a i n p h i g h - b r i g b 协e s sr e dl e di sm em o s tw i d e l yu s e d ，a n dh a sl o n gt i m et 0s t i j d y ，m o s tm a t l j r e t e c h n o l o g y o fa p i i o d u c t a l g a i n p h i g h b r i g h t n e s sl i g h t - e m i t t i n g d i o d e sc a nb eu s e d m o n o c h r o m a t i cl i 曲t i n g ，仃a 确cs i g n s ，l a r g es c r e e nd i s p l a y ，a u t o m o t i v el i 曲t i n g ，l c db a c k l i g h t i n g ， a n do t h e rf i e l d s ，m o s to fm el e di sl l s e db ym o c v d 印i t a x j a j 舯w t hm e t h o d so fp r e p a r a 芏i o n ， h i 曲- b r i 曲伽e s sr e dl e di sg r o w e di nt h eg a a ss u b s t r a t e ，b u tg a a ss u b s 仃a t ea b s o r p t i o no fl i g h t 1 j r o mm em q w sm a l ( e sl e dh 笛v e d rl o wl i 曲te x t r a c t i o ne 塌c i e n c y ，a n dm o s t l yo p t i c a lw i n d o w h a sh i 曲r e 疗a c t i v ei n d e x ，i nt h em q wa c t i v er e 西o ni s s u e do n l yaf e wl i g h tc a l ll i g h to u to f d e v i c e ，i no r d e rt oi m p r o v et h el i 曲te x t r a c t i o ne 伍c i e n c y ，p e o p l ei n t r o d u c e dd b r ( d i s t r i b u t e d b r a g gr e f l e c t o r ) ，o d r ( 0 m n i - d i r e c t i o n a l l yr e n e c t o r ) ，a n di n t r o d u c e dt e x t u r es u 币l c e - t h em e t h o d o fs u r f a c e 伊a p h i c st 0e n h a n c et h el e dl i 曲te x t r a c t i o ne 伍c i e n c y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e l a t e d i s s u e so ft h er s l e d 1 1 1 i sp a p e ri sd i v i d e di n t of b l l o w i n g p a r t s ： 1 i n t r o d u c e dt t l ea l g a i n pl e dd e v e l o p m e n ta i l da p p i i c a t i o no fa 1 1 a 】y s i so ft h ec u r r e mh i 出 b r i g h t n e s sa l g a i n pl e de x i s t i n gp r o b l e m s ，p o i n t e do u tt h a tt h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e r 2 i n t r o d u c e dt 1 1 ew o r k i n gp r i n c i p l eo fl e da n ds e v e m le f f e c t i v e l ym e t h o d st oi m p r o v et h e a l g a i n pl e dl i g h te x t r a u c t i o ne f b c i e n c y 3 i n t r o d u c e dt ot h eu s e0 fo d ra sam i 盯o ro ft h el e dd e v i c es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa i l d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s 4 i n t r o d u c e dt h em o c v de p i t a x i a le q u i p m e n t ，t h en a _ t u r co ft h es o u r c em a t e r i a l ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe p i t a x i a lm a t e r i a l ，d o p i l l gt e c h n o l o g y ，s o 鹊t oo p t i m i z et 1 1 ed e s i g np 猢e t e r so f v a r i o u sm a t e r i a l s t h eu s eo fa d v a n c e dm o c v ds y s t e mf o ra l g a i n pe p i t a x i a lg r o w t h ，锄d m u l t i p l e q u a n t u m w e l ls t m c t u r eo fh i 曲_ q u a l i t ) rg r o w m c o n t r 鼬tt h ec u r r e n th i g h - b r i g h t n e s sr e d l e ds t m c t u r ea n du s eo fo d ra sam i r r o ro ft h er s l e d ( r e n e c t i v es u b m o u n tl e d ) s t r u c t u r e 5 i n t r o d u c e db a s e do nt h em o n t ec a r l om e t l l o dr e s e a r c hl e dd e v i c e se x t r a c t i o ne 伍c i e n c yb yt h e r a y t r a c i n gm e t h o d ，a n dh a st 1 1 er e s u l to fe 仃e c t so fs u r f 缸et e x t i j r eo nt h el i g h te m i s s i o no fr e d i e d k e yw o r d sa l g a i n p ；r s - l e d ；o d r ；r a y - t r a c i n gm e t h o d i i i 独创性声明 本人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。 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：上哞导师签名： 第1 章绪论 1 1l e d 简介 1 1 1l e d 概述 第l 章绪论 l e d 是发光二极管的缩写。在某些半导体材料的p n 结中，注入的少数载流 子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转 换为光能。p n 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入 式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称l e d 【l 】。发光二极管的正向电 阻阻值为几十至2 0 0 l q ( 根据型号不同有所不同) ，反向电阻的值为无穷大。 l e d 的发光颜色和发光效率与制作l e d 的材料和工艺有关，目前广泛使用 的颜色有红、绿、蓝、黄、白。由于l e d 工作电压低( 仅1 5 3 v ) ，能主动发光 且有一定亮度，亮度又能用电压( 或电流) 调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长 ( 1 0 万小时) ，资料显示，l e d 光源比白炽灯节电8 7 、比荧光灯节电5 0 ，而 寿命比白炽灯长2 0 3 0 倍、比荧光灯长1 0 倍。l e d 光源因具有节能、环保、长 寿命、安全、响应快、体积小、色彩丰富、可控等系列独特优点，被认为是节电 降能耗的最佳实现途径。 l e d 按发光强度( 光源的明亮程度) 分有：普通亮度的l e d ( 发光强度 1 0 0 m c d l 。 1 1 2l e d 应用 l e d 用途十分广泛，主要有以下几个方面【2 】： ( 1 ) 景观照明市场：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要 建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐 场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。 ( 2 ) 汽车市场：车用市场是l e d 运用发展最快的市场，主要用于车内的仪表盘、 空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。 ( 3 ) 背光源市场：l e d 作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品 及汽车、飞机仪表盘等众多领域。 ( 4 ) 交通灯市场：由于红、黄、绿光l e d 有亮度高、寿命长、省电等优点，在交 通信号灯市场的需求大幅增加。 北京工业大学工学硕七学位论文 ( 5 ) 户外大屏幕显示：由于高亮度l e d 能产生红、绿、蓝三原色的光，l e d 全 彩色大屏幕显示屏在金融、证券、交通、机场、邮电等领域备受青睐。近两年， 全彩色l e d 户外显示屏已代替传统的灯箱、霓虹灯、磁翻板等而成为主流，尤 其是在全球各大型体育场馆几乎已成为标准配备。 ( 6 ) 特殊工作照明和军事运用：由于l e d 光源具有抗震性、耐候性、密封性好， 以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、 军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。 ( 7 ) 其他应用：l e d 还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中。作 为全球轻工产品的重要生产基地，我国对l e d 有着巨大的市场需求。 1 2 高亮度红光l e d 简介 1 2 1 高亮度红光l e d 发展历程 1 9 9 0 年之前，半导体发光材料的研究重点是a l g a a s 材料，而由于a l g a a s 材料的特性，其发光波长最短只能到6 8 0 啪左右【3 】，出于对更短波长光源的迫切 需要，使得人们纷纷把注意力转向有更大带隙的a l g a i h p 材料上去。 最先使用a l g a i n p 材料的是t - s u z l l l ( i 等人【4 】，他们在1 9 8 2 年时研制了 a l g a i n p 双异质结构的激光器，他们发现a l o 5 i n 0 5 p g a o 5 h o 5 p a l o 5 i n o ，5 双异质结 构的光荧光强度是单层g a o 5 5 p 的十倍。1 9 9 1 年，美国h p 公司的c r a f o r d 等 人和日本东芝公司研制成功了a l g a i n p 发光二极管，并于1 9 9 4 年采用m o c v d 技术在g a a s 衬底上成功外延。其后c 删向r d 等人又开发了g a p 透明衬底技术， 将红色和黄色双异质结材料制成l e d ，其发光效率提高到2 0 l 州w ，这就使l e d 的发光效率超过了白炽灯的1 5 l i l l w ，之后又提高到4 0 5 0 l 州w ，近几年由于采 用多量子阱结构，红光l e d 发光效率能达到7 3 7 l 州w 。而采用截头锥体倒装结 构技术，红光l e d 发光效率能达到1 0 2 1 州w ，外量子效率提高了5 7 倍【5 j 。其发 展过程如图1 1 所示。 2 图1 1 a g a l t i p l e d 的发展历程 f g l l 陀l 一1a l g n pl e dc h 删o f d e v e i o p m e n t l22 高亮度红光l e d 存在不足及解决方法 要想让a i g a i t l p 发光二极管的应用前景更广阔，就必须提高其电光转换效率 以及亮度。l e d 的外量子效率由内量子效率和光提取效率决定。造成外量子效 率低下的主要原因有三个：电流扩展不均匀、材料本身对光的吸收和全反射临界 角损失。 要提高内量子效率就必须制各出高质量的a l g a i n p 多量子阱结构。随着外延 生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常 大的改善，如波长6 2 5 n m a l g a i n p 基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到约 1 0 0 ，己接近极限。但光提取效率却往往只有百分之几，为了制成高亮度 l e d ( 两窑1 lb d 曲t n e s sl e d 简称h b l e d ) ，就必须想办法大幅提高l e d 的光提取 效率。基于这点，工艺技术发展趋势如下： ( 1 ) 改变芯片外形的技术 当发射点处于球的中心处时，球形芯片可以获得最佳的出光效率。改变芯片 几何形状来提升出光效率的想法早在6 0 年代就用于二极管芯片，但由于成本原 因一直无法实用。在实际应用中，往往是制作特殊形状的芯片来提高侧向出光的 利用效率，也可以在发光区底部( 正面出光) 或者外延层材料( 背面出光) 进行特殊 的几何规格设计，井在适当的区域涂覆高防反射层薄膜，来提高芯片的侧向出光 利用率。 1 9 9 9 年美国惠普公司开发了倒金字塔形a 1 0 a i l l p 芯片并达到商用的目标， t i p ( t h m c 砒e dh l v e n e dp y 黼i dl e d 倒梯形结构状l e d ) 结构减少了光在晶体内 传输距离、减少了内反射和吸收( 有源区吸收和自由截流子吸收等) 引起的光损 耗、芯片特性大幅度改善，发光效率达1 0 0 流明瓦( 1 0 0 f n a ，6 1 0 n m ) ，外量子效 率更达到5 5 ( 6 5 0 n ) ，而面朝下的倒装结构使p n 结更接近热沉改善了散热 北京工业大学工学硕士学位论文 特性，提高了芯片寿命【7 j 。 ( 2 ) 键合技术 砧g a i n p 基二极管外延片所用的衬底为g a a s ，它的导热性能较差。为了更 有效的散热和降低结温，可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底，然 后将外延层键合转移倒导电和导热性能良好热导率大的衬底上，如铜、铝、金锡 合金、氮化铝等。键合可用合金焊料如a u s n 、p b s n 、i i l 等来完成。s i 的热导率 比g a a s 好，而且易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料。 ( 3 ) 倒装芯片技术 倒装芯片技术可增大输出功率、降低热阻，使发光的p n 结靠近热沉，提高 器件可靠性，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散 热性，背反射膜的制备将传向下方的光反射回出光的窗口层一方，进一步提升出 光效率。 ( 4 ) 全方位反射膜 除在键合界面制备金属基反射层外，也可以通过外延技术生长具d b r 层的 a l i n g a p 基芯片，但由于d b r 反射率随着入射角的增加迅速减少，仍有较高的 光损耗，反射膜效率不高。 金属基全方位反射膜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。金属基全方位 反射膜可有效提升出光效率，但必须解决如何制备低阻欧姆接触，高的全方位反 射率，和在后续工艺过程中反射膜不会被损害而失去低阻高反射的特性等【8 】。 ( 5 ) 金属键合剥离技术 美国惠普公司结合键合技术最早采用大衬底剥离技术将g a a s 衬底与外延层 剥离，然后将外延层粘接在透明的g a p 衬底上制备a l i n g a p 基芯片，此项技术 可以提高近2 倍的发光效率【9 j 。 ( 6 ) 表面粗糙化 表面粗糙化主要是将那些满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面或 反射回原表面时不被全反射而透过界面，并能起防反射的功能。表面粗糙通过散 射光的方向减少内反射，但同时又不能损伤材料的电光特性。透射率的增加被认 为是表面粗糙化的主要功能，优化的表面粗糙( 球状起伏表面) 可使出光效率可以 达到5 4 。 德国o s r 锄公司于2 0 0 1 年研制出新一代的a l i n g a p 基芯片【1 0 】，采用最新设 计将芯片窗口层表面腐蚀成能够提高出光效率的纹理结构。芯片表面纹理的基本 单元为具有斜面的三角形结构，光子的反射路线被封闭在这样的结构之中，使有 源层发出的光子能够更有效地被取出。欧姆接触电极的几何图形位于出光结构注 入电流的部位，这样可使注入电流更有效的扩展到有源区。外延片的布拉格反射 层被设计成具有较宽的反射角度，这样可使芯片背反射的大部分被覆盖。采用这 4 第l 章绪论 种纹理表面结构的a l i n g a p 基芯片可以获得大于5 0 的外量子效率，芯片封装 后的功率转换效率超过3 0 流明瓦，是常规a l h l g a p 基芯片( g 啦s 衬底) 的2 倍， 与采用晶片键合技术的a l g a i n p 基芯片( g a p 透明衬底) 性能相当但工艺简单成本 低。纹理表面结构对光束角特性没有影响，不仅可取代常规的方形芯片，而且还 可以很容易按比例放大应用于功率型的大尺寸芯片，而晶片键合透明衬底的 a l i n g a p 基芯片( g a p 透明衬底) 由于技术复杂只能应用于3 英寸的g a a s 衬底。 在降低生产成本和实现产业化规模生产方面，纹理表面高效取光结构的a l i n g a p 基芯片( g a p 透明衬底) 具有广阔的发展前景。 ( 7 ) 微芯片阵列 微芯片阵列可以增加发光效率，其原理尚不清楚。有人认为是应力释放导致 介电电场的减弱，提升了芯片的内量子效率，也有人认为是微芯片阵列提高了外 量子效率。外量子效率的提升得益于微芯片阵列中芯片周边面积的增加，一般微 芯片直径约1 0 岬，芯片厚度约1 岬，芯片表面积与周边面积之比可达l ：1 4 ，显 然芯片周边面积提供了更多的出光表面积。 ( 8 ) 光子晶体 浅二维表面栅格光子晶体可避免对有源区的损伤和在光子晶体制备过程导 入太多表面损伤，引发内量子效率的下降，同时又能发挥光子晶体的衍射，改变 光的入射角而提升出光效率1 7 2 7 倍，制作过程涉及电子束光刻和刻蚀工艺制 备晶格常数级大小的栅格几何结构。 1 3l e d 器件数值模拟方法 一种基于蒙特卡罗随机处理和射线追踪方法的l e d 器件数值模拟方法被广 泛应用于计算l e d 的光提取效率，此方法不仅简单、快速，而且模拟的结果非 常可靠。它是模拟光子的统计特性，即在有源区某点产生许多个2 兀立体角内均 匀分布的光子，统计最终出射到芯片外的光子数，其核心思想是跟踪光子的运动 轨迹和决定光子的生存状态并判断光子与介质作用后的行为，如：吸收、反射、 透射等，根据一定的判定条件选择跟踪反射还是透射光线，直到光子被吸收或者 离开器件，才终止对这个光子的跟踪，再跟踪下一个新产生的光子，如此反复， 记录下这些离开器件的光子出射方向及位置，便可以得到l e d 的发光特性【l l 】。 1 4 本论文的工作要点 本文阐述了a l 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，并提出解决之道。结合m o c v d 外延技术，详细介绍了高 亮度a l g a i n p 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 5 北京工业大学工学硕士学位论文 较，不断优化生长工艺，从而得到理想的高亮度红光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，详细阐述了改进l e d 发光效 率的理论基础与工艺方法。 ( 2 ) 从理论上研究了a l g a i n p 材料的特性以及a l g “1 1 p 发光二极管的工作原理， 介绍了现如今研究比较成熟的几种改善a l g a i n p 发光二极管发光效率的方法。 ( 3 ) 利用先进的m o c v d 生产设备，优化生长参数，实现了对a l g a i l l p 发光二极 管芯片的m o c v d 外延生长，对制备的l e d 进行了测试，并对测试结果进行对 比分析。 ( 4 ) 介绍了o d r 红光发光二极管的结构及工艺制备方法，并对o d r 与d b r 结 构反射率对比，得到了可靠的实验数据。 ( 5 ) 介绍了基于蒙特卡罗法的l e d 数值模拟方法，模拟得到了表面织构对l e d 光提取效率的影响，为实验提供了可靠的数值模拟结果。 6 第2 章a l g a i n p 高亮度发光二极管 第2 章a l g a i n p 高亮度发光二极管 2 1 发光二极管的工作原理 发光二极管是结型电致发光器件，它的主要结构是p n 结。图2 1 表示热平 衡状态下p - n 结的能带图。图中e v n e v p 表示价带，e c n e c p 表示导带，e f 表示 费米能级，e d 表示施主杂质能级，e a 表示受主杂质能级，e g 表示禁带宽度，在 n 区导带上，实心点表示电子，在p 区价带上，空心点表示空穴。在热平衡状态 时，n 区和p 区费米能级是一致的。图2 2 表示在图2 1 上加正向电压( 电源的负 电电极连接在n 区，正电电极连接在p 区) 时，p - n 结势垒降低，结果出现了n 区 电子注入到p 区，p 区空穴注入到n 区的非平衡状态。被注入的电子和空穴称为 非平衡载流子( 又称为少数载流子) 。在室温下，n 区导带底附近的浅施主能级e d 被电离，并向导带提供大量电子，因此，在n 区中多数载流子是电子。同样，在 p 区中，浅受主能级e a 向价带提供大量空穴。p 区的多数载流子是空穴。在p - n 结附近，当非平衡载流子和多数载流子复合时，便把多余的能量以光的形式辐射 出来，这就可以观察到p - n 结的发光1 1 2 j 。 e c n e g e 吼 n 区结区 p 区 图2 1 在热平衡下p n 结的能带图 f i g u r e 2 - l i nt h eh e a tb a l a l l c eo f t i l ep - n j u n c t i o nb a n dp l a n s n 区结区 p 区 图2 2 在外加正向电压后少数载流子的注入 f i g u r e 2 2i na d d i t i o nf o r w a r dv o l t a g ea f k ras m a l ln u m b e ro fc a r r i e ri n j e c t i o n s 7 北京工业大学工学硕士学位论文 一般在p n 结中，扩散长度远远大于势垒宽度，电子和空穴通过势垒区时因 复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。在扩散区内，非平衡载流子和多数 载流子复合可以分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合是复合时把能量以光能的 形式辐射出来，就是p - n 结的发光。辐射复合主要有三种类型：( 1 ) 电子和空穴 由于碰撞而复合，它分为不通过声子的复合( 直接跃迁型) 和必须通过声子为媒介 的复合( 间接跃迁型) 。直接带隙材料如g a a s 的发光为直接跃迁型，注入的电子 和空穴直接复合而发光。而间接跃迁必须借助于一定的能量和动量的声子，以保 证跃迁时能量和动量守恒。间接跃迁时声子和光子的相互作用必须同时发生，其 跃迁几率比直接跃迁几率低得多。所以，一般发光二极管采用直接带隙材料。( 2 ) 通过杂质能级发光，注入的少数载流子先被俘获到发光中心，然后复合发光，称 之为激子复合，如g a p 发红光和绿光就是这种类型。发光二极管的发光称为注 入式发光。( 3 ) 此外，还有一部分少数载流子复合时复合的能量以热能形式，通 过晶格散射，这个过程称为非辐射复合。非辐射复合包括阶段地放出声子的复合， 俄歇复合和表面复合。实际晶体中，由于有害的金属及晶体缺陷，电子会落到禁 带中的许多能级上，声子也就阶段性地产生。俄歇过程是有晶格缺陷或自由载流 子的情况下发生的。实际器件的发光效率之所以低，晶格缺陷的影响是很大的。 发光效率( 内量子效率) 取决于辐射复合和非辐射复合的比例。所为了提高发光效 率，应尽量减少与非辐射复合中心有关的缺陷及杂质的浓度。可见，制备高完整 性的晶体是制造高效发光二极管的重要环节之一。 由l e d 工作原理可知，外延材料是l e d 的核心部分，事实上，l e d 的波长、 亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。发光二极管对外延片的 技术主要有以下四条：( 1 ) 禁带宽度适合；( 2 ) 可获得电导率高的p 型和n 型材 料；( 3 ) 可获得完整性好的优质晶体；( 4 ) 辐射复合几率大。 2 2a l g a i n p 红光l e d 的典型结构 a l g a i l l 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 3 和图2 4 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。 8 正 p 欧姆接触 争电巍扩璇 p - 双铡屈 瑚w 舂滚琏 矗一隈箱堪 f 娟a 触缓冲联 稿旗s 图2 3 红光l e d 封装示意图图2 - 4 典型的红光l e d 管芯 f i g u r e 2 3s k e t c ho fr e dl e dp a c k a g i n gf 噜u r e 2 4t h e 够p i c a lr e dl e dc h i p s 典型的a l g a i i l p 红光l e d 芯片可分为四个部分：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n 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双异质结p 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 1 g a i n p 发光二极管还可以利用量子尺寸效应在不增加a 1 组分的情况下得 到较低的发射波长，从而实现较高的辐射效率及较高的亮度，同时f w h m ( 如n w i d t l la th a l f m a ) 【i m 啪半峰宽) 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 l 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 i l l p a l g a i n p 有 源区材料为例，由于垒区a l 组分在x 9 0 的反射率) ，其对可见光波长范围的反射率如 图3 3 所示，以代替外延生长的d b r 反光镜，解决了d b r 反光镜的角带宽有限 的问题，提供全方位反射( 不受限于近法线入射的光) ，提高l e d 发光强度。 随 后把带有反光镜的外延片以倒装方式即“p 面向下”叠置于沉积有金锡合金焊料的 s i 基板上，通过石墨夹具用金属键合技术熔合连接在一起。键合后用化学选择性 腐蚀或等离子刻蚀技术把n - g a a s 衬底和n g a i n p 腐蚀停层去掉，留下外延结构 薄膜，称之为薄膜发光二极管( t h j n - f i l ml e d ) 。在n g a a s 欧姆接触层沉积 a u g e n i ，光刻出圆形电极，在s i 基板底部沉积平面电极t i a u ，形成上下垂直电 极如图3 4 。最后锯片解理形成3 0 0 3 0 0 岬的单个管芯，称之为反光镜基板 r s i ，e d 【3 1 1 。 p - g a a s 欧姆接触层 呻a p 窗口层 p - a l g a i n p 上限制层 m q w 有源区 n a l g a i l l p 下限制层 n 电流扩展层 n g a a s 欧姆接触层 n i n g a p 腐蚀停层 n 为a 缸缓冲层 n g a a s 衬底 图3 - 2a l g a i n p 薄膜l e d 外延结构 f i g u r e 3 2a l g a i n pl e 】de p i t a 虹a lf i l ms t m c t u r e 第3 章r s l e d 特性分析 母 波长姗 图3 3 金在可见光波长范围( 4 0 0 - 7 0 0 姗) 内的反射率 f i 昏l r e 3 - 3i nt h ev i s i b l ew a v e l e n g t hr a n g e ( 4 0 0 - 7 0 0 n m ) i nt l l er e f l e c t i v 时 n 电极 有源澄 l 丁。层 外延结构 介质瑶 a q z n a 口 a u 反毙屡 银浆 s i 支槊 p 电极 图3 4 新型全方位反射a l g a i n p 薄膜l e d 结构示意图 f i g u r e 3 - 4n e wc o m p r e h e n s i v er e f l e c t i o na l g a i n pl e ds t 】r u c t u r eo ft h i nf i l m 3 4o d r 结构及其反射率 o d r 反射率对入射角的要求没有d b r 那么苛刻，它在o 度到8 5 度的范围 内反射率都很高【3 2 】。而且o d r 可以选的电介质、金属层种类较多。o d r 结构如 图3 5 所示。 壶 ，( 4 疗) = 下 d l e l e c t r i c ( n 一1 4 5 ) m i c n _ n t ；燃 一1 c a v e r a g e ) 图3 5o d r 结构及材料典型参数 f i g u r e 3 - 5o d rs n u c t u r ea i l dm a t e r i a l st ) ，p i c a lp a r a m e t e r s 如图3 5 所示的o d r 结构，其反射率描述如下： 1 9 r ：i ! 竺二垒塾垒坠! ! 竺塑! 坠! ：i ! 竺塑丛垒二坠2 型堕二塑生 ( 3 1 ) ( 体+ ) ( 嘞+ ) + ( 体一嘞) k 2 + ( 体一啊。) ( 一) + ( 体+ 嘞) k ) 其中传、嘞、和k 分别表示半导体、低折射率层、金属的折射率和金属的吸 收系数。低折射率层( 1 4 波长层) 厚度为d = a “4 嘞) ，其中a 为入射光在真空中 的波长。 由式( 3 1 ) 可知，g a p s i 0 2 a g 结构的o d r 反射率可达9 9 以上，低折射率 层中有约l 衬底面积的欧姆接触层，假定该欧姆接触反射率很低，那么o d r 的反射率大概减少约1 。表3 1 给出了不同材料的0 d r 与d b r 反射率比较【3 3 1 。 表3 1 不同材料o d r 与d b r 反射率比较 t a b l e 3 1d i f r e r e n tm 纳喇a l so d rf a t ec o m p a r e dw i t ht h ed b rr e f l e c t i o n 1 独ea 9 fr 啦e c t o rr j 时_ r n c f i v e n d 鬯x e x l i r c n o he o t 田q c i e n t风 ( 九= 6 3 0 衄) = 6 3 0 啪)( 九= 6 3 0 n m ) a 争s i 0 2o e 吸，k = o 0 8虹= 4 o 9 9 4 a u s i 0 2o d r ，k = o 1 9k = 3 0 9 7 i a 1 s i 0 2o d r ，h = 1 3 8k = 7 7 o 9 8 3 a 1 g 纠b d b r 胛l = 3 i ，= 3 8氏= o 1 5 o 1 4 a l g a i n p 点) b r m = 2 9 ，= 3 - 3 5 乜a n s p a f e n t 0 - 4 7 3 3 50 d r 与d b r 的比较 3 5 10 d r 与d b r 模拟反射谱的比较 我们设计了d b r 结构，并用其比较了o d r 的反射谱。d b r 结构采用 a l o 6 g a o ，扯s 舢a s 材料，周期为1 5 对。衬底为g a a s ，厚度为3 5 0 啪。o d r 采用 s i 0 2 a u 结构，入射介质为玻璃。如图3 6 ，共有三条曲线，分别为s i 0 2 厂a u 结构、 d b r 结构的反射率随入射波长的变化，实线为o d r 的反射特性，虚线为d b r 反射特性。在入射波长为4 0 0 4 7 0 i 硼时，o d r 和d b r 的反射率均不高，在3 0 上下，只是d b r 的反射率略高于s i 0 2 a uo d r 结构。在入射波长为5 5 0 7 5 0 n m 时，d b r 的反射率出现了震荡，在5 5 0 一6 0 0 i u n 和6 5 0 7 5 0 n m 反射率在2 4 4 ， 在6 2 0 附近处达到了最大值8 9 。而o d r 在5 5 0 7 5 0 m n 的反射率远远高于d b r 结构。图3 7 ，分别为s i 0 2 a u 结构、d b r 结构的反射率随入射光角度的变化。 在5 0 度到9 0 度时，d b r 的反射率下降到6 0 7 0 ，而o d r 的反射率仍然在9 0 以上。从上面的模拟分析中，我们看出o d r 结构的反射率无论是垂直入射，还 是斜入射都表现出了比d b r 更好的反射能力1 3 4 1 。 2 0 第3 章r s l e d 特性分析 v 啪e l e n g 钠x ( n f n ) 图3 6 入射光垂直入射时，模拟的s i 0 2 a uo d r 和d b r 结构反射率随入射波长的变化 f i g u r e 3 - 6v e r t i c a l l a l s e ri n c i d e n t s i m u l 锄e ds i 0 2 ，a uo d r d b rs t r u c t u 佗a n dr e n e c t m 锣o f t h e i n c i d e n tw a v eo fc h a i l g e _ 震 、_ “； o e 芷 a n 9 治9 ( d e g 治e s ) 图3 7 入射光为6 3 0 姗时，模拟的s i 0 2 a uo d r 和d b r 结构的反射率随入射角度的变化 f i g u r e3 7w h e n t h ei n c i d e ml i g h tt 06 3 0 啪，s i m u l a t e ds i 0 2 ，a uo d rd b r 蛐m c t u r ea n dt h e 。 r e n e c t o nr a t eo fc h a n g ew i t ht h ea 1 1 舀e 3 5 2 材料试验 我们首先用o x f i o r d 公司的p 1 a s m a l a b8 0 p l u s 在玻璃生长厚度为2 9 0 1 1 l i l 的 s i 0 2 ，之后再用d e n t o n 、k u u m 公司的d i s c o v e r ) r 溅射系统溅射了厚度为3 0 0 i l i i l 的a u 层。同时，按照第三节中结构，用e m c o r ed 1 2 5 型m o c v d 进行生长，我 们制作了d b r 。反射率随入射角度的变化由j a w b o l l 锄公司的v b 4 0 0 椭偏仪 测得，测试角度为2 0 度到8 5 度。 如图3 8 ，并参照图3 7 ，d b r 的模拟数据与实验数据大致相符，只是反射 率有所下降，我们认为这是由于在实验结构中增加了a l g a i n p 层所致。d b r 反 射率的最大值在入射角为2 0 度时为7 6 ，最小值在6 6 度为3 2 。而对于o d r 2 l 一摹一叱鲁，召髫啦篮 恐的；协o 北京工业大学工学硕士学位论文 结构，在2 0 度到5 0 度时，模拟数据与实验数据很吻合，而在5 0 度到8 5 度时， 实验数据的反射率出现了下降，而模拟数据出现了上升。造成不符的原因主要是， 模拟的结构与实际的结构有略微不同，模拟结构为s i 0 2 缇u 入射介质为玻璃，而 实际结构为玻璃s i 0 2 a u ，入射介质为空气，以及溅射金层、退火等工艺的复杂 性，导致模拟数据与实验数据的偏差【3 5 】。 蚤 。； 芑 叱 图3 8 入射光为6 3 0 n m 时，s i 0 2 a uo d r 和d b r 结构的反射率随入射角度的变化 f i g u r e 3 8f o rt h e6 3 0n mw h e nt h ei n