（物理电子学专业论文）高亮度红光odr结构led的研究.pdf

摘要 摘要 高亮度l e d 存在的主要问题是发光效率不够高，不足以取代荧光灯。究其 本质就是要提高l e d 的提取效率。因此，如何进一步提高发光二极管的提取效 率，是提高l e d 发光效率的最佳途径。 本论文旨在研制一种新型薄膜a l g a i n p 基高亮度红光l e d 器件，重点针对 材料特性、器件结构、工作原理以及制作工艺进行分析，优化结构和工艺制备过 程，从而大幅度提高红光l e d 的外量子效率，进一步提高红光l e d 的发光效率。 首先，论文对l e d 器件的材料特性作了简要说明，论述了l e d 的发光机理， 从理论上对高亮度多量子阱( m q w ) 结构l e d 进行了分析。通过对比双异质结 结构的有源区，详细剖析了m q wl e d 的优点，深入地分析了量子阱中载流子 的输运机制，并简单介绍了l e d 的重要的电学以及光学特征参数。 其次，研制了新型薄膜全方位反射a 1 g a i i l p 基高亮度红光l e d 器件。针对 此新型结构特点，提出相符合的工艺制备方法，制备出具有高反射率全方位反射 镜的薄膜a 1 g a i n pl e d ，并测试其光、电性能参数。优化工艺制备过程以及版图 设计，重点研究o d r 反光镜，键合，g n s 衬底的剥离等关键工艺。 再次，论文中模拟了几种常用o d r 反光镜结构的反射率，并运用实验方法 进行了验证。分析了o d r 反光镜的反射率的退火温度特性并在理论上给出符合 实际的解释。利用计算机模拟方法，根据光传输矩阵的相关公式，模拟计算了对 应不同波长下的s i 0 2 a u 、铟锡氧化物( h d i u mt i no x i d e ，n o ) a - u 的反射率变化， 模拟与实验结果基本一致。针对模拟器件制备中常用的几种o d r 结构，对于l e d 器件就a l s i 0 2 a 1 i t o ，a u s i 0 2 ，a u i t o 构成的o d r 结构，对应不同波长， 不同退火温度下对于反射率的影响进行了研究。并且用实验的方式进行了验证。 并分析了此结果的产生的原因。 最后，研制了背面粗化的新型薄膜全方位反射舢g a i n p 基高亮度红光l e d 器件。研究实际的背面粗化的工艺制备方法，制备出实际的背面粗化的红光u d 器件。讨论了不同粗化颗粒大小对于l e d 器件亮度影响，以及背面粗化的关键 工艺进行了讨论。对制作出的器件进行电学和光学测试，通过与常规的o d r l e d 测试结果表明粗化背面的o d r - l e d 的光输出明显高于常规o d r l e d 的特性。 在2 0 m a 下，背面粗化的o d r l e d 的光强可以达到2 3 0 m c d ，而背面光滑的高 亮度红光l e d 的光强为1 7 5 2 m c d ，提高了3 0 1 。 关键词：发光二极管o d r 反光镜背面粗化 a b s t r a c t a bs t r a c t n o w a d a y s ，m em a j o rp r o b l e mo f1 1 i g hb r i g h m e s sl e di st h el i 武t e d1 u m i n o l l s e 衔c i e n c y ，f l u o r e s c 钮tl a i n p sc o u l d n tb er 印l a c e dy e t 1 1 1 ee s s e n c ei st o 缸恤e r i m p r o v et h ee x t r a c t i o ne 珩c i e l l c y o fl e d s oh o wt 0i r n p r o v em ee x t i a c t i o n e 衔c i e i l c yi sm eb e s tw a y t oi n c 陀a s et 1 1 ei 1 1 u m i n a t i 工1 9p o w e ro fl e d t m s 吐1 e s i sa i m sa tp r o p o s i n gan o v e lt 1 1 i n - f i l mm 班b r i 对l 缸1 e s sa 1 g a h l p - b a s e d l e ds t m c t u r e nf o c u s e so nm a t e r i a lp r o p 硎e s ，p r i n c i p l e ，o p t 碱z i n g 也ed e v i c e s 缸u 曲l r e 觚dm ef - a b r i c a t i o np r o c e s si no r d e rt os u b s t a n t i a li i l c r e a s ee ) 【t 嘶o rq u a i l t u m e 衢c i e n c y ，a n d 缸t 1 1 e re n h a n c et h e1 啪i n o u se 蚯c i e n c yo f r e dl e d f i r s t ，m em e s i sm a k e sb r i e fd e s c r i p t i o no f 血em a c e r i a lp r o p 矾e so fm el e d d e v i c ea n dd i s c u s s e st h el u m i n e s c e n c em e c h a m s mo fl e d t h et h e o 巧o fl l i 曲 b r i 曲t n e s sl e dm u l t i q u a l l t u mw e l l ( m q w ) s t m 咖】r ei sa n a l y z e d c o m p a r e dw i mm e d o u b l eh e t e r o - j u n c t i o ns t r u c t u r eo ft 1 1 ea c t i v er e 百o n ，m em e r i t so fm em q w l e di s c l e a r l yp r e s e n t e d t h ec a r r i e r 仃a n s p o r tm e c h a n i s mi nt h em q w s t m c n l r eh 2 u sb e e n c a r e 凡l l ys t u 函e da 1 1 dab d e fi n t r o d u c t i o no ft h el e d si m p o m 吸tp a r a m e t e r so f e l e c t r i c a la 1 1 do p t i c a lc h a r a c t 砸s t i c si ss t a t e d t h e s ea r ei m p o r t a l l ts t a n d a r d sf o rt h e p 曲硼a i l c eo fl e d s e c o n d l y t h en o v e lt h i n - f i l mo m l l i 曲e c t i o n a lr e n e c t o r ( o d r ) a 1 g a h i pm 曲 b r i 曲t n e s sr e dl e d s t m c t u r ei sp r o p o s e d a c c o r d i n gt 0m ec h a r a c t e r i s t i co fm en e w s 臼u c t i l r e ，m ef e a s i b l ef i a b r i c a t i o np r o c e s si sb r o u g h tf o 刑a r d t h ed e v i c ei sw o r k e d o u t t h eo p t i c a l 觚de l e c t d c a lp a r a m e t e r sa r et e s t e d t h e nm el 邳幻u ta i l dt 1 1 e f - a b r i c a t i o np r o c e s sa r eo p t i m i z e d t h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt 王1 e0 d rs t m c t u r e ，t h e a d h e s i v el a y e rb o n d i n g p r o c e s sa n dm es 埘p p i n gp r o c e s so ft h eg a a ss u b s t r a t e 砥p l e l a y e ro d r sa r ec o m p r i s e das e m i c o 瓜l u c t o r ，al o w - r e f a c t i v ei i l d e xl a y e ra n da m e t a lw i mac o m p l e xr e 丘a c t i v ei r l d e x t h ee p i t a x i a l1 a y e ro fa l g a i n pl e di sb o r l d e d t og a a ssu ：b s t r a t ea n dt h em e ng a a ss u b s t r a t ei sr e m o v e du s i n gt h ew e te t c h i l l g m e t l l o d s a g a i n ，m em e s i ss i m u l a t e st 1 1 er e n e c t i v i 锣o ft h ec o n v e i n i o n a lo d rs t n j 咖r e s a n dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d sa r ed e v e l o p e d t h e 锄1 e a lt 锄p e r a t u r ec h a r a c t 嘶s t i co f r e n e c t i v i t yo ft h e0 d r s 劬c n l r ei sa i l a l y z e d 跹dp r a c t i c a je x p l a l l a t i o ni s 百v e no u t a c c o r d i i l gt ot 1 1 er e l e v a n to p t i c a lt r a n s m i s s i o nm a t r 政f o 彻u l a a l s i 0 2 、a l r r o 、 a u s i 0 2 、川i t oo d r sc 0 r r e s p o n d i n gt 0d i 彘r e n tw a v e l e l l 垂h sa r es i m u l a t e db y c o m p u t e rm e t l l o d s a 耐a tt 1 1 es 锄et i m eg l a s s s i 0 2 a uo d rs a m p l es 饥l c t u r ei s f a b r i c a t e dm a i l i p u l a t i n gp e c v da n ds p u t t e d n ge q u i p m e n t s 曲u l a t i o nr e s u l t s 缸l d s 锄1 p l et e s tr e s u l t sa r ec o m p a r e d t h e ya r ea 孕e e dw e l l a c c o r d i n gt om eg e n e r a lo d r s t m c t u r e s ，t h e _ i i l n u e - n c eo fd i 伍。r e n t 锄1 e a lt e m p e r a t u r et 0m er e f l e c t i v i t yo fm e i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 a l s i 0 2 、a l i t oa s i 0 2a u i t oo d ri ss t u d i e dc o r r e s p o n d i n gt ot l l ew a v e l e n 础o f 4 0 0 i u n 8 0 0 啪w bv a l i da t i 砸t h ec o n c l u s i o nw i mt h ee x p e 矗m e l l ta n da n a l y s i st 1 1 e c a u s eo ft h ev 撕a t i o no ft h e r e f l e c t i v i t y f i n a l l y an e wn - s i d er o u 曲e n i n gs l l r f a c eo d r l e ds t m c t u r ei so b s e e d c o m p a r e dw i 吐lm es t r u c t l l r eo fn a ts u r f a c eo d r l e d ，l e 印i t a x i a ll a y e rs 缸u c t u r ei s s t u d i e d 百v e nt h en - s i d es u m c er o u 曲e 越n gt e c h n 0 1 0 缈a c c o r d i n gt ot h es t m c t u r e ， 也ew e te t c h i n gt e c l l i l o l o g yo fm er o u 曲e 1 1s u r f a c ei sp u tf o r w a r da 工1 dm en - s i d e r o u 曲砌n gs u r f a c ed e v i c ei sa c m e v e d t h ei i l n u e l l c eo fm ed i 脓e n ts i z e so ft h e t r i a n 哲em o 印h 0 1 0 9 yc a u s e db yw e te t c h i n gt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d t h eo p t i c a la 1 1 d e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fas 锄p l ed e v i c ea r et e s t e d c o m p a r e dw i t ht h ec o i e n t i o n a l f l a ts u 】最l c eo d r - l e d ，i ts h o w st l l a to u tp o w e ro ft h er o u 曲e n 协gs u r f a c eo d r l e d i ss i 印i f i c a n t l yh i 曲e r a sa ni n j e c t i o nc u r r e n to f2 0 m a i e ，t h e1 i g h ti n t e n s 畸o fm e r o u 曲e 1 1 i n gs f a c eo d r l e dc o u l dr e a c h2 3 0 m c da n di n c r e a s e d3 0 1 h o w e v 瓯 w i t ht h es 锄et ec _ 量l i l 0 1 0 9 y ，t h en a to n ec o u l do i l l yr e a c h17 5 2 m c d k e yw o r d s ：l i g h te i l l i t t i n gd i o d e ，o m i n d i r e c t i o n a lr e f i e c t o r s u r f i a c er o u 曲e n i n g i v 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 何贡献均己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 0 3 s ， 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：盎煎基导师躲 、 日期：6 盘，一3 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的背景及研究的意义 近年来，全球性的能源短缺问题严重，环境污染问题日益突出，全世界各个 国家都迫切希望研究开发节能环保的新技术。半导体光源作为新型高效固态光 源，将成为人类照明史上继白炽灯，荧光灯之后的又一次技术飞跃，引发第三次 照明革命。业内普遍认为【l 】，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的 白炽灯和荧光灯也是大势所趋。 与其它光源相比，半导体照明光源具有以下优点【2 】【5 】： ( 1 ) 发光效率高 白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 2 4 1 m 肘，荧光灯的光效为5 0 7 0 l m 啊，钠灯 的光效为9 0 1 4 0 1 删w ，大部分的耗电变成热量损耗。l e d 的光效经改进后可 达到1 5 0 2 0 0 1 删w ，而且光的单色性好、光谱窄，无需过滤，可直接发出有色 可见光。 ( 2 ) 节能，耗电量少 在同样的照明效果下，l e d 的耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二 分之一。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的l e d 替代日本一半的 白炽灯和荧光灯，相当于每年可节约6 0 亿升原油。 ( 3 ) 使用寿命长 l e d 灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动， 不易破碎。l e d 的平均寿命达1 0 万小时，是普通灯管的数十倍。l e d 灯具的使 用寿命可达5 1 0 年，大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 ( 4 ) 安全环保，是冷光源 l e d 为全固态发光体，耐震、耐冲击、不易破碎，发热量低，无热辐射，不 含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收，没有污染。 ( 5 ) 开关时间短 响应时间最低可达1 微秒，一般为几个毫秒( 现用的光源响应时间2 0 0 毫秒) 。 可在高频条件下使用，如用于光电耦合电路。譬如，用于汽车的刹车灯或状态灯， 可以缩短车后车辆的刹车时间，预防追尾，提高安全性。 专家预测，到2 0 1 5 年，作为新光源的固态照明半导体灯，将全面取代传统 照明光源。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 发光二极管的研究进展 1 2 1 发光二极管的研究历史 一f i 嗽o e 嗽 - 鼎 m c a 涮e 虻e 晴 剿6 鬯 m n d e s c e m 一下h o m a 搴d t s 锄i ；s n r s ti g h 油u l b 1 9 6 0，9 7 0 伯嘻o1 9 2 0 0 02 们o 1 1 m e 啤硼 图1 1 不同材料系发光二极管发光效率随时间的发展状况 f i g 1 一lt h ed e v e l o p m e n to fl i g h te 伍c i e n c yo f l e d s 、加t hd i 能r e n tm a t e r i a l s 1 9 0 7 年，h e n r yj o s e p hr o u n d 第一次发现碳化硅s i c 的电致发光现象，从此 拉开了人类开发另一种新型电光源的大幕。继碳化硅s i c 发现之后，科技工作者 经过多年的研究，终于在1 9 6 0 年，制造出了第一个发光二极管。1 9 6 8 年利用 g 扒s p 又研制出了商用6 5 5 眦的红色l e d 。聪明的科技人员意识到，l e d 仅有 单红色，显然不能满足实际应用的需要。由此展开了各种单基色l e d 乃至全彩( 白 色) l e d 的研究。由于不同半导体材料的能带差异各不相同，激发出来的光波波 长也各不相同。所以，采用不同的材料可制成不同基色的发光二极管。半导体材 料的开发理所当然地成为了基色研究的重点。 2 0 世纪7 0 年代中期，科研人员在半导体中引入铟( 1 1 1 ) 、氮( n ) 等元素，使l e d 辐射出了绿光( 5 5 5 眦) 、黄光( 5 9 0m ) 和橙光( 6 1 0 m ) ，l e d 的色彩因此丰富了 起来。选择使用不同单基色l e d 的愿望在一定程度上得到了满足。8 0 年代末9 0 年代初，人们使用铝镓铟磷( a l g a i n p ) 生产出了蓝光( 约4 6 5 衄) l e d 。1 9 9 3 年诞 生了白色l e d 。另外，l u m i l e d s 、g e 等公司也对相关技术作了开发研究，在基 色方面更好地满足人们的需要。蓝色、绿色g a n 超高亮度l e d 的相继研制成功， 实现了l e d 的超高亮度全色化，使l e d 的应用从室内走向室外，成功地应用于 各种交通信号灯、汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。在2 0 世纪9 0 年代 2 第1 章绪论 末，新的生长技术，如缓冲层技术，侧向外延技术，柔性衬底技术等等不断在氮 化物研究领域推出【6 】【1 。图1 1 是不同材料系发光二极管的发光效率随时间的发 展状况。 1 2 2 国内外发展现状分析 据美国s t i i a t e g i e su n l i i l l i t e d 公司统计，全球l e d 的产值规模年均增长率超 过2 0 ，2 0 0 3 年达到4 5 亿美元。其中高亮度l e d 增长更加迅速，在1 9 9 5 2 0 0 4 年间年均增长率达到4 6 ，2 0 0 5 年产值规模达到4 2 亿美元。高亮度l e d 占l e d 产品的市场比例由2 0 0 1 年的4 0 增长到2 0 0 5 年的7 0 以上。据测算，5 年后 仅在美国，半导体照明就可能形成一个5 0 0 亿美元的大产业。图1 2 所示 l e 9 石1 9 9 0i 9 9 7 1 9 9 bl 9 9 9 2 0 0 q 2 0 q l2 0 0 2 2 a 0 32 0 a 矗2 n 0 5 图1 2 全球高亮度l e d 产值规模增长状况 f i g 1 2t h ei n c r e a s i n gs c a l eo ft h ep r o d u c t i o nv a l u e o fm eh i p mb r i p 妇协e s sl e do ft h ew o r l dw i d e 全球l e d 产业主要分布在日本、中国大陆、中国台湾地区、欧美及韩国等 国家和地区。其中，日本最大，占据约5 0 的份额，其次是我国台湾地区。各地 区l e d 产值大小及所占份额分布见图1 。3 、图1 4 所示。 - 3 - 惦们嬲加髓如蠊加5 o 假堋翠 北京i 业大学i 学砸士学位论文 图1 - 3 全球l e d 产值区域分布变化趋势 f i g l - 3d i n n b 曲n g 砩n do f 仇o p d u c t i o n v “u ed i g 口i b u n o no f m el e do f 山e w o n d w i d e 图1 4 全球l e d 产值区域份额变化趋势 f 唔l 一4s h t m n d o 九k 也cp r o d u n i o n v m d i s 订i b m i o n o fc h e l e d0 f m e w o r i d w i d e 2 0 0 5 年日本l e d 产值达2 87 亿美元，占据全球i j e d 产值的5 0 左右。 2 0 0 6 2 0 0 8 年间日本l e d 产值的年均增长约为6 ，至2 0 0 8 年，日本l e d 产值 约达”亿美元。在2 0 0 5 年，欧美地区的l e d 产值约为1 4 亿美元，2 0 0 6 约增 长9 达1 5 亿美元，2 0 0 7 年以后，产值维持在15 亿美元附近。2 0 0 5 年台湾( 包 括台湾岛内及大陆分厂生产) l e d 产值达1 2 亿美元，2 0 0 6 、2 0 0 7 年内年均增长 约】9 ，2 0 0 7 年产值首度超越欧美地区，台湾厂商2 0 0 6 年在汽车灯及大尺寸 l c d 面板背光源方面已开始纷纷投资布局，预计2 0 0 8 年将会大获收益而使得台 湾厂商的l e d 产值大幅成长2 8 ，约达2 2 亿美元，由此台湾占全球l e d 产值 比重由2 0 0 5 年的2 1 大幅增长至2 0 0 8 年的2 9 。 许多国家先后推出了国家半导体照明计划，投入巨资进行研发。美、日、欧 盟皆由官方成立专案，编列预算与计划推行白光l e d 照明，如： 日本【2 1 世纪照明技术】研究发展计划 一d 一 第l 覃绪论 日本设立了2 1 世纪照明技术( t h el i 曲tf o r2 1 s tc e n 呻) 研究发展计划。 参加计划的有日本1 3 个公司和4 所大学。该计划由日本“新能源和新兴工业技 术开发组织”与日本金属研究开发中心联合执行，由日本国际贸易与工业省提供 资助。 美国【半导体照明国家研究项目】 美国能源部设立了“半导体照明国家研究项目”( n a t i o n a lr e s e a r c hp r o 掣锄o n s 锄i c o n d u c t o r l i 曲缸g ) ，共有1 3 个国家重点实验室、公司和大学参加，由国家 能源部，国防先进研究计划总署和光电工业发展协会联合资助执行。 欧共体【彩虹】计划 欧共体设立了“彩虹 计划( r a i l l b o wp r o j e c t a 1 i n g d nf o rn m l t i c 0 1 0 rs o u r c e s ) ， 成立了执行研究总署，委托6 个大公司和2 个大学执行。 中国台湾地区【次世纪照明光源开发计划】 台湾地区也设立了“次世纪照明光源开发计划”，有1 6 个生产，科研公司先 后参加。 我国也于2 0 0 3 年开始了国家半导体工程，于2 0 0 3 年6 月成立“半导体照明 协调领导小组”，国家科技部已开始“国家半导体照明工程攻关计划”。 1 3 发光二极管的应用领域 l e d 的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等。 随着其亮度的不断提高，很多有关它的应用还在不断地被挖掘出来，目前，主要 集中在以下几个领域【1 2 】： 信息指示灯汽车信号指示。汽车指示灯在车的外部主要是方向灯、尾灯 和刹车灯；在车的内部主要是各种仪表的照明和显示。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( 或管子) 2 0 0 只3 0 0 只，我国汽车工业正处于大发展时期，是推广 超高亮度l e d 的极好时机。 交通信号指示。用超高亮度l e d 取代白炽灯，用于交通信号灯、警示灯、 标志灯现已遍及世界各地，市场广阔，需求量增长很快。 大屏幕显示。l e d 显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成 电路和计算机技术的日新月异，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体， 如多彩霓虹灯、象素管电视墙、四色磁翻板相比较，以其亮度高、动态 影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示 方式丰富、性能价格比高等优势，已广泛应用于各行各业。 液晶显示( l c d ) 的背照明：主要应用于是手机背光光源。现阶段手机背 5 _ | 匕i 工业丈学工学 $ 论文 光源用量非常大，一年要用3 5 亿只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3 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，对于我国i 甩d 产品来说，这 也是个极好的市场机会。 圄圈匿譬圆国圈鹾置幽 一 图1 5l e d 的应用领域 f 1 9 】一5 m ea p p jj c a f o f l e d 固体照明全色超高亮度l e d 的实用化和商品化，使照明技术面临一场 新的革命，由多个超高亮度红、蓝、绿三色l e d 制成的固体照明灯不仅 可班发出波长连续可调的各种色光，而且还可以发出亮度可达几十到一 百坎德拉f c d ) 的白色成为照明光源。它具有体积小、重量轻、方向性好、 节能、寿命长、耐各种恶劣条件等传统照明光源不具有的优势。尽管这 种新型照明固体光源的成本依然偏高但从长远看。如果超高亮度l e d 的生产舰模进一步扩大，成本进一步降低，其在节能和长寿命舶优势足 以弥补其价格偏高的劣势。 当前，半导体l e d 照明正在中国引发一场照明产业的技术和应用的革命。 14 本论文的主要工作 本论文具体研究内容及获得的主要成果如下： 1 研制出新型薄膜全方位反射a l g a i l l p 基高亮度红光l e d 器件。制备出具 有高反射率全方位反射镜的薄膜a l g a 【i 】pl e d ，并测试其光、电性能参数。优化 工艺制备过程，重点研究o d r 反光镜键合，g a a s 衬底的剥离等关键工艺。 通过与常规的a l g a h l p 基红光l e d 以及d b r l e d 的特性进行对比，测试结果 表明，新型薄膜全方位反射a l g a i n p 基高亮度红光l e d 的光输出明显高于常规 6 第l 章绪论 的砧g a i n p 基红光l e d 以及d b r l e d 的特性。 2 模拟了几种常用o d r 反光镜结构的反射率，并运用实验方法进行了验证。 分析了o d r 反光镜的反射率的退火温度特性，并在理论上给出符合实际的解释。 利用计算机模拟方法，根据光传输矩阵的相关公式，首先模拟计算了对应不同波 长下的s i 0 2 a l u 、铟锡氧化物( i n d i 啪t i no x i d e ，i t o ) a u 的反射率变化，同时， 实际用p e c v d 和溅射设备制作了g 1 a s s s i 0 2 a uo d r 结构，模拟结果与样片测 试结果进行对比，模拟与实验结果基本一致。对于l e d 器件就a l s i 0 2 ，a 1 i t o ， a u s i 0 2 ，a u i t o 构成的o d r 结构，对应不同波长，不同退火温度下，对于反 射率的影响进行了研究。 3 研制出粗化背面的新型薄膜全方位反射a 1 g a i n p 基高亮度红光l e d 器件。 通过对无粗化的薄膜全方位反射a l g a i n p 基高亮度红光l e d 结构进行分析，考 虑背面粗化的工艺制备方法，提出符合背面粗化工艺的外延层结构，并针对结构， 完善常规的o d r 反光镜高亮度红光l e d 工艺制备技术，研究实际的背面粗化的 工艺制备方法，制备出实际的粗化背面的红光l e d 器件。讨论了不同粗化颗粒 大小对于l e d 器件亮度影响，以及背面粗化的关键工艺进行了讨论。对制作出 的器件进行电学和光学测试，通过与常规的o d r l e d 测试结果表明粗化背面的 0 d r l e d 的光输出明显高于常规o d r l e d 的特性。 - 7 一 第2 章】e d 光电特性与基牟特征 数 第2 章l e d 光电特性与基本特征参数 研究l e d 器件的结构设计优化以及工艺制各，学握l e d 的材料特性、结构 特性、光电特性原理以及衡量其性能好坏的特征参数是十分必要的。因此，本章 重点讨论l e d 光电特性原理以及基本的特性参数。 2 1l e d 材料特性 对于用来制作l e d 的半导体材料， 还需要具备以下条件：一，直接带隙材料。 时，电子的动量不发生变化，不需要声 予参与，因而直接复合几率大。二，可 以制各山良好的n 和p 型材料。即可以 制成良好的口h 结。三，可获得完整性 好的优质晶体。此处的不完整性是指能 缩短少数载流子寿命并降低发光效率的 杂质和品格缺陷。一般的可用于发光的 直接带隙半导体材料为i i i v 族材料，如 g n s 、g a n 、i 坤及其相关固溶体。另 外还有一些i i _ v i 族材料，如z n o 等。 满足上述条件可用于半导体茇光的材料 及其相关的波长见于图2 1 。从当前的应 除了需要其禁带宽度合适以外，一般 直接带隙半导体电子在进行带问复合 ”品：二嚣? 图 l 可用于制作l e d 的半导体材料 f l 目2 1m 咖n a i s t o 劬m a f cl e d 用来看，用以发射可见光的半导体二极管材料主要有两种：一是基于g a a s 衬底 的( a l x g a l 一x ) 05 i n o5 p 材料，其发射波长覆盖了5 6 0 t l l 到6 5 0 衄的绿色和红光范 围。另一种是基于蓝宝石或碳化硅材料的g a n i n g a n 材料，一般用来制作蓝色 或绿色l e d 。详细介绍用于红光l e d 的a l g a i n p 材料。 211 a l g a i n p 材料 凹元合金材料( a l x g a l x ) o5 s p 发光效率高，可以形成良好的p 一一结，具有较 宽的直接带隙，覆盖了5 6 0 n m 到6 5 0 n m 范围的可见光波长，并可以与g n s 衬 底品格完全匹配，是制各红色到绿色波段l e d 的优良材料。其能带结构参数与 g a a s 基本相同，价带顶在k 空间布里渊医中心的r 点，导带最低的直接谷也在 鋈圈 北京工业大学工学硕士学位论文 r 点，最低的间接谷在x 点【1 4 】。 室温下( t = 3 0 0 k ) ，( 烈x g a l x ) o 5 i i l o 5 p 的带隙与组份x 的关系如图2 2 ，r 能带 的带隙与组份x 的关系表示为： 廓( x ) = 1 9 l + o 6 1 x( 2 1 ) x 能带的带隙与组份x 的关系表示为： e x ( x ) = 2 1 9 + o 0 8 5 x ( 2 2 ) 望 x p o c 山 图2 2 ( a l x g a l 。) o 5 i i l 0 5 p 材料带隙随a 1 组份x 的变化 f i g 2 2t h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nm eb a n dg a po f ( a l 。g a l x ) o 5 i n 0 5 pa n dt h ea l 丘a c t i o n 随a l 组份的增加，当x = 0 5 3 时，r 能带和x 能带相交，( a l x g a l - x ) o 5 i n 0 5 p 材料从直接带隙转变为间接带系材料，对应的波长为k - 5 5 5 衄，x = 0 ，er ( 0 ) 对 应的带隙能量为1 9 1 e v ，发光波长为k _ 6 5 0 衄，由此可以看出用( a l x g a l - x ) o 5 i n o 5 p 合金材料制作的发光二极管波长范围应在5 5 0 6 5 0 姗之间，如图2 2 所示。 其主要的特性参数如表2 1 所示。 表2 1 ( a l x g a l x ) o 5 i n o 5 p 材料能带结构参数表 t a b l e2 一lt h ep a r 锄e t e r so f ( a l x g a l x ) o 5 i i l 0 5 pm a t e r i a l s p a r a m e t e r g a o 5 1 1 1 0 5 pa l o 5 1 1 1 0 5 p ( a l x g a l x ) o 5 i n o 5 p e ；( e v ) 1 92 51 9 + 0 6 x e ；( e v ) 2 2 52 3 5 2 2 5 + o 1 x 0 1 1 ( x o 7 ) 所二朋o o 1 l0 1 40 1 1 + 0 0 3 x 聊厶所o o 6 2o 6 70 6 2 + o 0 5 x 1 0 一 弱加弘筋加佰竹；兮：5；5；拍；2加 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 第2 章l e d 光电特性与基本特衍参数 由于灿g a i n p 中的铝在固液态之分布系数差异极大，因此以l p e 成长 a 1 g a i n p ，在铝含量的控制上相当困难，所以必须采用有机金属气相结晶法 ( m o ? e 或m o c v d ) ，或分子束结晶法( m b e ) 来生长，这是因为不同于l p e ， 铝在固、气相之间的分布系数几乎相同，因此可轻易控制固态中铝含量，再加上 m o v p e 具有均匀度良好，可长出界面性极佳之薄层结晶及易量产等优点，目前 a l g a i i l p 多以此方法长成。 2 1 2g a n 基材料 g a n 是由j o l l l l s o n 等人于1 9 2 8 年合成的一种i 一v 族化合物半导体材料， 由于获得单晶体比较困难，所以对它的研究未得到很好的进展。1 9 6 9 年，m a m s k a 和t i e t j e i l 成功制备出了单晶g a n 薄膜，给这种材料带来了新的希望。但是此后 很长时期内，g a n 材料由于受到没有合适的衬底材料，n 型本底浓度太高和无法 实现p 型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。进入9 0 年代以来，由于缓冲技术 的采用和p 型掺杂技术的突破，对g a n 的研究热潮才在全世界蓬勃发展起来。 现在g a n 基的蓝、绿光l e d 已经实现商品化。 g a n 及其相关i 族氮化物材料包括：二元的h 1 n 、ga n 、a l n ，三元的i i l g a n 、 a l g a n 和四元的i i l g a a l n 等。通过调整合金组分，可以获得从1 9 e v 到6 2 e v 连 续可调的带隙能。因此三族氮化物能覆盖从紫外光到可见光这样一个很宽范围的 频谱，这使得它们在诸多领域有着很迷人的应用前景。又由于g a n 材料具有高 热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，因而成为研制高频大功 率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、 航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。 g a n 是i i i 族氮化物中目前研究最多的材料【1 5 】- 【1 6 1 。它是极稳定的化合物，又 是坚硬的高熔点材料( 熔点约为1 7 0 0 ) 。通常条件下，g a n 以六方对称性的纤锌 矿结构存在。但在一定条件下也能以立方对称性的闪锌矿结构存在。这种现象在 族氮化物材料中是普遍存在的，称为多型体现象( p o l y t y p i s m ) 。正因为如此，使 得g a n 材料的两种多型体之间，虽然有一些共性，但又在各种特性上显示出差异。 由于g a n 的禁带宽度为3 4 e v ，其带边发光位于紫外，因此用g a n 基材料制备的 可见光光电子器件中，须用h l x g a l - x n 作有源层。尽管近年来g a n 基l e d 和激光 二极管的发展极为迅猛，但对h l x g a l x n 材料本身性能的研究还很不充分，甚至一 些基本的问题还有待解决。 i i l 。g a l x n 禁带宽度随i n 组分的变化可用以下公式计算出： e 窖u h ，g 白l 一，) = 翘譬u 矗) + 【1 一石归g 【g 口) 一k 【1 一工) ( 2 3 ) 其中e g ( i n n ) = 1 9 5 e v ，e g ( g a n ) = 3 4 e v ，b 为弯曲因子。但对于公式中弯曲因子 北京工业大学工学硕士学位论文 的大小，许多研究者报道的结果相差很大。n a k 锄u r a 等将x 射线衍射确定的h l 组分与h l x g a l n 的室温发光峰比较，认为i n x g a l x n 的b 值为1 o 。近年来的研究 发现随h l 组分变化，i n x g a l x n 薄膜的弯曲因子的变化并没有一定的规律，说明其 禁带宽度随h l 组分的变化关系复杂。 2 2l e d 的结构特性 2 2 1 双异质结( d h ) 结构l e d s i ! a 1 x g a h ) o 5 h l o p 5 p ：， 1 n 、t n ( a l o 7 g a o 3 ) o 5 i n c 厂 l 夕 厂i 1 ； 么 1 1 w ( 5 5 5 6 5 0 ) n 7 0 0 0 u厂 图2 3 典型n i p 双异质结( a l x g a l x ) o 5 h l o 5 p 发光二级管的能带图 f i g 2 3t 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 x g a l x ) o 5 i n 0 5 pl e d