提高內(nèi)量子效率IQEppt課件

1、提高內(nèi)量子效率(IQE)成員：安如陽、易小斌、陳榮昌、葉武海、何超文LED外延構(gòu)造的內(nèi)量子效率(IQE)對(duì)芯片的發(fā)光亮度有著決議性的影響。有些人誤解為IQE由MOCVD工藝決議，其實(shí)IQE應(yīng)該是由外延資料的設(shè)計(jì)決議。而國(guó)內(nèi)短少的恰恰是外延構(gòu)造的設(shè)計(jì)人才，只會(huì)用設(shè)備的人不一定可以長(zhǎng)出高質(zhì)量的資料。半導(dǎo)體資料的選擇右圖示出了-及-族元素的帶隙(Bandgap)與晶格常數(shù)(Lattice Constant)的關(guān)系。直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體，選擇哪一類半導(dǎo)體更能提高內(nèi)量子效率呢？直接帶隙資料的導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂在同一K空間，電子與空穴可以有效地再?gòu)?fù)合，躍遷復(fù)合發(fā)光概率大。發(fā)光復(fù)合發(fā)光概率大對(duì)提高發(fā)光效率是

2、必要的，因此發(fā)光二極管經(jīng)常用直接躍遷型能帶構(gòu)造的晶體制造。圖1.直接帶隙圖2.間接帶隙內(nèi)量子效率的定義內(nèi)量子效率int是一個(gè)微觀過程復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)與復(fù)合載流子總數(shù)之比。由于無法去計(jì)數(shù)復(fù)合載流子總數(shù)和產(chǎn)生的光子總數(shù)。因此普通是經(jīng)過丈量LED輸出的光功率來評(píng)價(jià)這一效率。直接躍遷過程比間接躍遷過程簡(jiǎn)單，其內(nèi)量子效率取決于少數(shù)載流子的輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合的壽命。直接躍遷的內(nèi)量子效率可以表示為從上式可見，提高內(nèi)量子效率主要在于提高資料的純度、完好性和改良PN結(jié)制造工藝的完美性，以降低非輻射復(fù)合中心的濃度。間接躍遷的復(fù)合輻射過程是經(jīng)過一些發(fā)光中心來實(shí)現(xiàn)的，這就使得過程復(fù)雜化，間接躍遷過程的內(nèi)量子效

3、率可粗略地表示為恰中選擇發(fā)光中心，使它具有較高的濃度及適當(dāng)?shù)碾婋x能和大的復(fù)合截面，并盡能夠提高資料純度和完好性，以降低焠滅中心的濃度，提高i。復(fù)合的類型輻射型復(fù)合，伴隨光的輻射復(fù)合，電子與空穴復(fù)合釋放的能量產(chǎn)生光子。常見的復(fù)合方式：1、電子與空穴的碰撞復(fù)合、2、經(jīng)過雜質(zhì)能級(jí)的復(fù)合、3、經(jīng)過相鄰能級(jí)的復(fù)合、4、激子復(fù)合。非輻射型復(fù)合，不伴隨光輻射的復(fù)合，電子與空穴復(fù)合釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊３Ｒ姷膹?fù)合方式：1、伴隨多數(shù)聲子的復(fù)合、2、俄歇復(fù)合、3、器件外表的復(fù)合。輻射型復(fù)合直接帶隙資料中，電子和空穴復(fù)合時(shí)，其發(fā)光躍遷有多種能夠性，如下圖，圖7與圖8是普通AlGaInP紅光LED產(chǎn)生光的原理，而圖9

4、是AlGaInN的藍(lán)光及綠光LED的產(chǎn)生原理a.帶間復(fù)合b.自在激子相互抵消c.在能帶勢(shì)能動(dòng)搖區(qū)，部分束縛激子的復(fù)合因雜質(zhì)而產(chǎn)生的發(fā)光再?gòu)?fù)合過程a.受主與導(dǎo)帶復(fù)合b.施主與價(jià)帶復(fù)合c.施主與受主復(fù)合d.激子的再?gòu)?fù)合輻射和非輻射之間的競(jìng)爭(zhēng)決議了LED的內(nèi)量子效率：式中， 非輻射復(fù)合中心密度 非輻射復(fù)合中心能級(jí)密度 輻射復(fù)合中心密度 輻射復(fù)合中心能級(jí)密度 非輻射復(fù)合概率 輻射復(fù)合概率 n、p 自在電子和空穴濃度 由內(nèi)量子效率的表達(dá)式可以顯而易知，發(fā)光中心密度大，非輻射復(fù)合中心密度小，發(fā)光中心淺，自在電子密度越大，那么內(nèi)量子效率越高。 制造發(fā)光二極管的原資料和各道加工工藝均要防止非輻射復(fù)合中心如位錯(cuò)

5、和深能級(jí)雜質(zhì)的引入，這是提高內(nèi)量子效率的重要措施。異質(zhì)構(gòu)造異質(zhì)結(jié)是由兩塊不同帶隙能量的單晶半導(dǎo)體銜接而成的。理想的異質(zhì)結(jié)是由晶格參數(shù)失配很小小于0.1%的資料制成。雙異質(zhì)構(gòu)造雙異質(zhì)結(jié)是由一層窄帶隙P型有源層夾在n型和p型的寬帶隙導(dǎo)電層中。雙異質(zhì)結(jié)添加了有源區(qū)中過剩載流子的濃度，從而添加了輻射復(fù)合的概率。雙異質(zhì)結(jié)LED的能帶圖利用異質(zhì)構(gòu)造，會(huì)使得資料組分的變化引起帶隙的變化。當(dāng)然，單異質(zhì)構(gòu)造和雙異質(zhì)構(gòu)造都要求資料之間具有較好的晶格匹配。晶格常數(shù)相差較大，異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生很高的缺陷通常是位錯(cuò)密度，晶格缺陷會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合。雙異質(zhì)構(gòu)造中的有源層變薄能添加輻射復(fù)合概率和減小再吸收。量子阱量子阱構(gòu)造QW

6、：有源層的厚度可以和晶體中電子的德布羅意波長(zhǎng)相比較或比它小，載流子會(huì)被量子限域。量子阱構(gòu)造是異質(zhì)構(gòu)造的一種特殊構(gòu)造。量子阱能帶圖電子阻撓層的量子阱在量子阱和P型導(dǎo)電層之間以帶隙更寬的P型資料Eg3Eg1Eg2制造電子阻撓層，防止電子漏入P型導(dǎo)電區(qū)來提高注入效率。有源層是一個(gè)右邊和左邊勢(shì)壘為U1和U2的非對(duì)稱QW多量子阱多量子阱：兩種不同半導(dǎo)體資料薄層交替生長(zhǎng)構(gòu)成的多層構(gòu)造，勢(shì)壘層足夠厚，相鄰勢(shì)阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，多層構(gòu)造構(gòu)成許多分別的量子阱。簡(jiǎn)單而言，就是由多個(gè)勢(shì)阱構(gòu)成的量子阱構(gòu)造。上圖是雙異質(zhì)構(gòu)造以下圖是多量子阱構(gòu)造比較4個(gè)500埃厚的量子阱，2000埃厚及7500埃厚的DH 在

7、室溫，592nm時(shí)的發(fā)光效率與電流的關(guān)系。光子循環(huán)光子循環(huán)是自發(fā)的光沒有被吸收而被活性層吸收再變成載流子，可以節(jié)省電流、添加內(nèi)量子效率。光子循環(huán)有個(gè)局限性，就是大面積才會(huì)有明顯的效果。改良內(nèi)部構(gòu)造1.改善電流分布簡(jiǎn)單引見一下資料參數(shù)和構(gòu)造對(duì)IQE的影響雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造：兩側(cè)的覆層Cladding Layer的禁帶寬度要大于活性層Active Layer，AL采用量子阱構(gòu)造能更好的限制載流子，提高IQE。然而，采用量子阱AL，妨礙載流子在相鄰阱的挪動(dòng)，所以采用多量子阱構(gòu)造，Barrier需求足夠透明低和薄以 防止載流子在每個(gè)阱內(nèi)的不均勻分配?；钚詫覣ctive Layer活性層Active Laye

8、r厚度也對(duì)IQE有很大影響，不能太厚，也不能太薄，每種資料有其最正確范圍。活性層參雜：活性層絕對(duì)不可以重參雜，要么輕參雜，低過覆層Cladding Layer的參雜濃度，每種資料有其最正確范圍，活性層經(jīng)常也不參雜。活性層運(yùn)用p型參雜多過運(yùn)用n型參雜，p型參雜可以確保載流子在活性層內(nèi)的均勻分布。活性層參雜有益處也有害處，參雜濃度添加，輻射載流子的壽命縮短，導(dǎo)致輻射效率添加。但是，高濃度參雜也引入缺陷。有趣的是MOCVD生長(zhǎng)在有些時(shí)候還依賴于參雜，雜質(zhì)可以作為外表活化劑，添加外表分散系數(shù)，從而改善晶體質(zhì)量。例如，InGaN運(yùn)用Si參雜可以改善晶體質(zhì)量。覆層參雜覆層Cladding Layer參雜：

9、覆層的電阻率是決議覆層濃度的重要參數(shù)，濃度一定要低到缺乏以在覆層中產(chǎn)生熱效應(yīng)，但是覆層參雜又必需高過活性層AL用來定義PN結(jié)的位置。每種資料有其最正確范圍。但是p型濃度典型要高過n型。覆層中p型雜質(zhì)濃度過低將使電子從AL中逸出，從而降低IQE。晶體中雜質(zhì)和缺陷紅外輻射復(fù)合中心：禁帶中構(gòu)成深能級(jí)的Au、Cu、Cr等重金屬，Na、Li等堿金屬，以及O、C等元素。非輻射復(fù)合中心:晶體中的位錯(cuò)是PN結(jié)面不平而導(dǎo)致輻射不均勻或者使雜質(zhì)向位錯(cuò)線集結(jié)。PN結(jié)移位：PN結(jié)移位會(huì)影響IQE，特別是Zn、Be等小原子，可以隨便分散過活性層(AL)，到下覆層(CL)。同時(shí)，Zn、Be的分散系數(shù)非常依賴濃度，當(dāng)濃度超

10、越極限，分散速度大大提高，所以制造時(shí)必需格外小心。資料中存在紅外輻射復(fù)合中心和非輻射復(fù)合中心會(huì)減低可見光的發(fā)光效率。晶格匹配：晶格不匹配增大，晶格位錯(cuò)線呈現(xiàn)黑色，導(dǎo)致IQE下降。雖然GaAs和InP中晶格匹配與IQE有很強(qiáng)的關(guān)系，但GaN中這種關(guān)系卻不明顯，這主要是GaN中位錯(cuò)的電學(xué)活性很低，另外，載流子在GaN的分散長(zhǎng)度很短，假設(shè)位錯(cuò)間的平均間隔大于分散長(zhǎng)度，特別是空穴的分散長(zhǎng)度，那么位錯(cuò)上的非輻射復(fù)合就不嚴(yán)重。另外一種解釋是，InGaN之所以具有高效率是由于化合物的成分動(dòng)搖限制了載流子分散到位錯(cuò)線。緩沖層在襯底上生長(zhǎng)一層緩沖層可以減少因外延層與襯底間晶格失配引起的大量位錯(cuò)。例如在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)簡(jiǎn)單GaN緩沖層其位錯(cuò)密度仍在108109個(gè)每平方厘米，但是經(jīng)過側(cè)向過生長(zhǎng)外延GaN緩沖層，改良緩沖工藝，可