半导体照明课件-9-第8章-AlGaInP-发光二极管

第8章AlGaInP发光二极管AlxGayIn1-x-yP四元系合金是可见光波段半导体激光器和发光二极管的重要材料。

当生长晶格匹配GaAs衬底，

AlxGayIn1-x-yP合金具有1.9-2.6eV直接带隙宽度，其覆盖了可见光谱从红（橙、黄）绿部分。第8章AlGaInP发光二极管AlxGa四元系AlGaInP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，AlGaInP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间,这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。

目前,MOCVD生长AlGaInP外延片技术已相当成熟。四元系AlGaInP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光1.AlGaInP材料的外延制作AlxGayIn1-x-yP四元系是由AlP,GaP,InP组成的固溶体半导体,当x=0，或y=0,或x+y=1时，分别代表三元系InxGa1-xP,AlxIn1-xP,AlxGa1-xAs，

按照Vegard定理，AlxGayIn1-x-yP的晶格常数，1.AlGaInP材料的外延制作AlxElementPAsAlAlP5.4672ÅAlAs5.6611ÅGaGaP5.4505ÅGaAs5.6533ÅInInP5.8697ÅInAs6.0583Å当时1.AlGaInP材料的外延制作ElementPAsAlPAlAsGaPGa即解得因此，AlxGayIn1-x-yP在满足与GaAs晶格匹配时为，AlxGa0.5-xIn0.5P，可改写为(AlxGa1-x)0.5In0.5P

1.AlGaInP材料的外延制作即解得因此，AlxGayIn1-x-yP在满足与GaAInGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。

为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。1.AlGaInP材料的外延制作InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的G2.器件生长双异质结结构首先研制成功的高亮度AlGaInPLED采用的是双异质结结构,生长晶格匹配于GaAs。

p型GaP窗层是沉积在双异质结结构的顶部，用做透明的电流扩展层。2.器件生长双异质结结构首先研制成功的高亮

EΓ（x）=1.91+0.61x(eV)

AlGaInP的光学性质强烈地依赖于合金Al-Ga比，如图8-7所示，(AlxGa1-x)0.5In0.5P层的Al含量从0增加到0.6,带隙宽度从1.9增加到2.3eV。EΓ（x）=1.91+0.61x(eV)材料的光致发光(PL)强度的下降随Al含量增加,使用AlGaInP进入间接带结构,如图8-7所示。材料的光致发光(PL)强度的下降随Al含量增半导体照明课件-9-第8章-AlGaInP-发光二极管8.5光的取出AlGaInPLED芯片发光后，如何才能最大可能的取出呢？

光从发光二极管芯片的p-n结发出后一分为二，光的一半向上传向芯片的顶部，有很好的机会逸出；另一半向下传向芯片的衬底，很容易被吸收。8.5光的取出AlGaInPLED芯片1.上窗设计因为半导体的折射率通常是较高的，发生在芯片内部光的射线的反射临界角较小，因此，光折射后被全反射限制射出。这里n1和n2是芯片周围介质和GaP窗层的折射率。1.上窗设计因为半导体的折射率通常是较高1.上窗设计假如周围的介质是空气，n1=1和n2=3.4,临界角大约17.1º,圆锥角34.2º。大多数情况下，器件采用环氧树脂封装（折射率1.5)，临界角宽展到26.2º，圆锥角也扩大到52.4º，增加了53%。说明了器件用环氧树脂封装的优点,封装后芯片光量自动增加了2-4倍。1.上窗设计假如周围的介质是空1.上窗设计很清楚，窗的厚度并不影响向上方向圆锥内的射线；但是，假如窗层薄，边方向射线在达到侧壁之前就已经全反射。总的光取出效率是覆盖整个发光区4个侧壁的每个立体角的积分，加上向上圆锥的贡献。理论和测量都显示了厚窗能改进光输出效率。1.上窗设计很清楚，窗的厚度并2.衬底吸收为了晶格匹配，选择GaAs作为AlGaInP发光材料的外延生长衬底。但其缺点是吸收光的问题（衬底吸收一半）尝试采用GaP等透明衬底生长AlGaInP，但晶体质量难以提高。方法一、在有源层和吸收GaAs衬底之间放一个高反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射层；方法二、黏结一个透明的GaP衬底以代替GaAs。2.衬底吸收为了晶格匹配，选择GaAs作分布布拉格反射LED分布布拉格反射用于提高AlGaInPLED光输出最早是在1992年。分布布拉格反射镜又称DBR，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。因此是一种四分之一波长多层系统，相当于简单的一组光子晶体。布拉格反射镜的反射率可达99%以上。它没有金属反射镜的吸收问题。分布布拉格反射LED分布布拉格反射用于提高AlGaInPL半导体照明课件-9-第8章-AlGaInP-发光二极管DBR的分类半导体材料做的DBR用半导体做DBR的材料是目前用的最多的，而且可以通电流。只是因为其折射率差别较少，用半导体材料比用绝缘材料需要比较多的层数才能得到高反射率。

绝缘材料做的DBR

材料之间的折射率的差距大，用较少的对数就可以实现比较高的反射率。分布布拉格反射LEDDBR的分类半导体材料做的DBR分布布拉格反射LED几种典型的绝缘材料的DBRSiO2是一种非常重要的薄膜材料，因为它的折射率很低。SiO2不容易分解和吸收，散射性好，在160-8000nm是透明的，并经常与TiO2一起合用。TiO2在多层中的应用很广泛，TiO2的折射率很高，在可见光区是透明的，并且非常坚硬。如果在薄膜层中没有损失，反射率接近100%。损失包括两种：散射和吸收。前者是由于薄膜界面层的粗糙度所影响。分布布拉格反射LED几种典型的绝缘材料的DBRSiO2是一种非常重要的薄膜材料，DBR设计理论基础制作DBR的时候，所需要注意的三个重要参数：（1）两种材料间的折射率的差值。（2）每一层材料的厚度。（3）Stopband的宽度。典型的绝缘DBR是采用TiO2/SiO2。每层材料的厚度可以根据公式求：Stopband的宽度可以根据下面的公式求得：分布布拉格反射LEDDBR设计理论基础分布布拉格反射LEDDBR最后的反射率R可以由下面的公式求得：其中,ns为衬底的折射率。对于TiO2/SiO2DBR参数的表格见下图：DBR设计理论基础DBR最后的反射率R可以由下面的公式求得：DBR设3对SiO2/TiO2-DBR样品的反射谱线见下图：分布布拉格反射LED3对SiO2/TiO2-DBR样品的反射谱线见玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲线。结果表明随着DBR对数的增加，DBR的反射率也是逐渐增加的。分布布拉格反射LED玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲典型的DBR结构图典型的DBR结构图分布布拉格反射LED分布布拉格反射LED透明衬底LED提供了最高的光取出效率,当除去GaAs衬底后，用外延生长的办法生长很厚的一层GaP工艺太复杂,成本太高。采用黏结GaP晶片技术可以解决这一难题。GaP晶片黏结透明衬底LED透明衬底LED提供了最高的光取出效率,当除去GaP晶片黏结透明衬底LEDGaP晶片黏结透明衬底LED胶质黏着（蓝宝石晶片黏结）使用一种胶质透明黏结层如旋涂式玻璃(SpinOnGlass,SOG)将发光二极管外延层与透明衬底蓝宝石结合,然后再将原LED结构上GaAs衬底移除至一刻蚀终止层。因蓝宝石无色透明，从红到黄绿光都透明而无吸收问题，比GaP（橙红色）做透明层在透光上更胜一筹，因此LED发光效率大幅度提升。胶质黏着（蓝宝石晶片黏结）使用一种胶质透即使上表面层非常透明，但由于是平面，光从折射率为3.4的GaP进入空气或环氧树脂(折射率为1和1.5)时,全反射问题非常严重。环氧树脂封装后，出光效率仍不到20%，曾采用在表面沉积增透膜（n=1.7-1.9）,如SiO2，Si3N4等，有一定效果。试验表明，采用拱形管芯结构可以增加临界角，减小全反射，提高出光效率。如果将芯片的表面加工成由许多微型的尖的、球状的小丘，也可以起到同样的提高光取出效率的作用。纹理表面结构即使上表面层非常透明，但由于是平面，光从纹理表面结构技术20年前就开始在GaAsP器件上采用，后来又推广到GaP,AlGaAs器件的芯片上，通常叫粗化技术，就是将出光面用化学腐蚀液腐蚀成许多小丘状，一般可提高出光效率50%-70%。

HP公司采用截头倒装锥体（TIP）芯片形状，光取出效率提高到50%-70%，但难以推广。纹理表面结构纹理表面结构技术20年前就开始在GaAsP纹理表面结构通常叫粗化技术，就是将出光面用化学腐蚀液腐蚀成许多小丘状，一般可提高出光效率50%-70%。

纹理表面结构纹理表面结构通常叫粗化技术，就是将出光面用第8章AlGaInP发光二极管AlxGayIn1-x-yP四元系合金是可见光波段半导体激光器和发光二极管的重要材料。

当生长晶格匹配GaAs衬底，

AlxGayIn1-x-yP合金具有1.9-2.6eV直接带隙宽度，其覆盖了可见光谱从红（橙、黄）绿部分。第8章AlGaInP发光二极管AlxGa四元系AlGaInP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，AlGaInP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间,这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。

目前,MOCVD生长AlGaInP外延片技术已相当成熟。四元系AlGaInP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光1.AlGaInP材料的外延制作AlxGayIn1-x-yP四元系是由AlP,GaP,InP组成的固溶体半导体,当x=0，或y=0,或x+y=1时，分别代表三元系InxGa1-xP,AlxIn1-xP,AlxGa1-xAs，

按照Vegard定理，AlxGayIn1-x-yP的晶格常数，1.AlGaInP材料的外延制作AlxElementPAsAlAlP5.4672ÅAlAs5.6611ÅGaGaP5.4505ÅGaAs5.6533ÅInInP5.8697ÅInAs6.0583Å当时1.AlGaInP材料的外延制作ElementPAsAlPAlAsGaPGa即解得因此，AlxGayIn1-x-yP在满足与GaAs晶格匹配时为，AlxGa0.5-xIn0.5P，可改写为(AlxGa1-x)0.5In0.5P

1.AlGaInP材料的外延制作即解得因此，AlxGayIn1-x-yP在满足与GaAInGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。

为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。1.AlGaInP材料的外延制作InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的G2.器件生长双异质结结构首先研制成功的高亮度AlGaInPLED采用的是双异质结结构,生长晶格匹配于GaAs。

p型GaP窗层是沉积在双异质结结构的顶部，用做透明的电流扩展层。2.器件生长双异质结结构首先研制成功的高亮

EΓ（x）=1.91+0.61x(eV)

AlGaInP的光学性质强烈地依赖于合金Al-Ga比，如图8-7所示，(AlxGa1-x)0.5In0.5P层的Al含量从0增加到0.6,带隙宽度从1.9增加到2.3eV。EΓ（x）=1.91+0.61x(eV)材料的光致发光(PL)强度的下降随Al含量增加,使用AlGaInP进入间接带结构,如图8-7所示。材料的光致发光(PL)强度的下降随Al含量增半导体照明课件-9-第8章-AlGaInP-发光二极管8.5光的取出AlGaInPLED芯片发光后，如何才能最大可能的取出呢？

光从发光二极管芯片的p-n结发出后一分为二，光的一半向上传向芯片的顶部，有很好的机会逸出；另一半向下传向芯片的衬底，很容易被吸收。8.5光的取出AlGaInPLED芯片1.上窗设计因为半导体的折射率通常是较高的，发生在芯片内部光的射线的反射临界角较小，因此，光折射后被全反射限制射出。这里n1和n2是芯片周围介质和GaP窗层的折射率。1.上窗设计因为半导体的折射率通常是较高1.上窗设计假如周围的介质是空气，n1=1和n2=3.4,临界角大约17.1º,圆锥角34.2º。大多数情况下，器件采用环氧树脂封装（折射率1.5)，临界角宽展到26.2º，圆锥角也扩大到52.4º，增加了53%。说明了器件用环氧树脂封装的优点,封装后芯片光量自动增加了2-4倍。1.上窗设计假如周围的介质是空1.上窗设计很清楚，窗的厚度并不影响向上方向圆锥内的射线；但是，假如窗层薄，边方向射线在达到侧壁之前就已经全反射。总的光取出效率是覆盖整个发光区4个侧壁的每个立体角的积分，加上向上圆锥的贡献。理论和测量都显示了厚窗能改进光输出效率。1.上窗设计很清楚，窗的厚度并2.衬底吸收为了晶格匹配，选择GaAs作为AlGaInP发光材料的外延生长衬底。但其缺点是吸收光的问题（衬底吸收一半）尝试采用GaP等透明衬底生长AlGaInP，但晶体质量难以提高。方法一、在有源层和吸收GaAs衬底之间放一个高反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射层；方法二、黏结一个透明的GaP衬底以代替GaAs。2.衬底吸收为了晶格匹配，选择GaAs作分布布拉格反射LED分布布拉格反射用于提高AlGaInPLED光输出最早是在1992年。分布布拉格反射镜又称DBR，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。因此是一种四分之一波长多层系统，相当于简单的一组光子晶体。布拉格反射镜的反射率可达99%以上。它没有金属反射镜的吸收问题。分布布拉格反射LED分布布拉格反射用于提高AlGaInPL半导体照明课件-9-第8章-AlGaInP-发光二极管DBR的分类半导体材料做的DBR用半导体做DBR的材料是目前用的最多的，而且可以通电流。只是因为其折射率差别较少，用半导体材料比用绝缘材料需要比较多的层数才能得到高反射率。

绝缘材料做的DBR

材料之间的折射率的差距大，用较少的对数就可以实现比较高的反射率。分布布拉格反射LEDDBR的分类半导体材料做的DBR分布布拉格反射LED几种典型的绝缘材料的DBRSiO2是一种非常重要的薄膜材料，因为它的折射率很低。SiO2不容易分解和吸收，散射性好，在160-8000nm是透明的，并经常与TiO2一起合用。TiO2在多层中的应用很广泛，TiO2的折射率很高，在可见光区是透明的，并且非常坚硬。如果在薄膜层中没有损失，反射率接近100%。损失包括两种：散射和吸收。前者是由于薄膜界面层的粗糙度所影响。分布布拉格反射LED几种典型的绝缘材料的DBRSiO2是一种非常重要的薄膜材料，DBR设计理论基础制作DBR的时候，所需要注意的三个重要参数：（1）两种材料间的折射率的差值。（2）每一层材料的厚度。（3）Stopband的宽度。典型的绝缘DBR是采用TiO2/SiO2。每层材料的厚度可以根据公式求：Stopband的宽度可以根据下面的公式求得：分布布拉格反射LEDDBR设计理论基础分布布拉格反射LEDDBR最后的反射率R可以由下面的公式求得：其中,ns为衬底的折射率。对于TiO2/SiO2DBR参数的表格见下图：DBR设计理论基础DBR最后的反射率R可以由下面的公式求得：DBR设3对SiO2/TiO2-DBR样品的反射谱线见下图：分布布拉格反射LED3对SiO2/TiO2-DBR样品的反射谱线见玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲线。结果表明随着DBR对数的增加，DBR的反射率也是逐渐增加的。分布布拉格反射LED玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲典型的DBR结构图典型的DBR结构