半導(dǎo)體照明課件-9-第8章-AlGaInP-發(fā)光二極管

第8章AlGaInP發(fā)光二極管AlxGayIn1-x-yP四元系合金是可見光波段半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的重要材料。

當(dāng)生長晶格匹配GaAs襯底，

AlxGayIn1-x-yP合金具有1.9-2.6eV直接帶隙寬度，其覆蓋了可見光譜從紅（橙、黃）綠部分。四元系A(chǔ)lGaInP化合物半導(dǎo)體是制造紅色和黃色超高亮度發(fā)光二極管的最佳材料，AlGaInP外延片制造的LED發(fā)光波段處在550～650nm之間,這一發(fā)光波段范圍內(nèi)，外延層的晶格常數(shù)能夠與GaAs襯底完善地匹配，這是穩(wěn)定批量生產(chǎn)超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，波長625nm附近其外延片的內(nèi)量子效率可達(dá)到100%，已接近極限。

目前,MOCVD生長AlGaInP外延片技術(shù)已相當(dāng)成熟。1.AlGaInP材料的外延制作AlxGayIn1-x-yP四元系是由AlP,GaP,InP組成的固溶體半導(dǎo)體,當(dāng)x=0，或y=0,或x+y=1時(shí)，分別代表三元系InxGa1-xP,AlxIn1-xP,AlxGa1-xAs，

按照Vegard定理，AlxGayIn1-x-yP的晶格常數(shù)，ElementPAsAlAlP5.4672?AlAs5.6611?GaGaP5.4505?GaAs5.6533?InInP5.8697?InAs6.0583?當(dāng)時(shí)1.AlGaInP材料的外延制作即解得因此，AlxGayIn1-x-yP在滿足與GaAs晶格匹配時(shí)為，AlxGa0.5-xIn0.5P，可改寫為(AlxGa1-x)0.5In0.5P

1.AlGaInP材料的外延制作InGaAlP外延生長的基本原理是，在一塊加熱至適當(dāng)溫度的GaAs襯底基片上，氣態(tài)物質(zhì)In,Ga,Al,P有控制的輸送到GaAs襯底表面，生長出具有特定組分，特定厚度，特定電學(xué)和光學(xué)參數(shù)的半導(dǎo)體薄膜外延材料。III族與V族的源物質(zhì)分別為TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3與AsH3。通過摻Si或摻Te以及摻Mg或摻Zn生長N型與P型薄膜材料。

為獲得合適的長晶速度及優(yōu)良的晶體結(jié)構(gòu)，襯底旋轉(zhuǎn)速度和長晶溫度的優(yōu)化與匹配至關(guān)重要。細(xì)致調(diào)節(jié)生長腔體內(nèi)的熱場分布，將有利于獲得均勻分布的組分與厚度，進(jìn)而提高了外延材料光電性能的一致性。1.AlGaInP材料的外延制作2.器件生長雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)首先研制成功的高亮度AlGaInPLED采用的是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),生長晶格匹配于GaAs。

p型GaP窗層是沉積在雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的頂部，用做透明的電流擴(kuò)展層。

EΓ（x）=1.91+0.61x(eV)

AlGaInP的光學(xué)性質(zhì)強(qiáng)烈地依賴于合金Al-Ga比，如圖8-7所示，(AlxGa1-x)0.5In0.5P層的Al含量從0增加到0.6,帶隙寬度從1.9增加到2.3eV。材料的光致發(fā)光(PL)強(qiáng)度的下降隨Al含量增加,使用AlGaInP進(jìn)入間接帶結(jié)構(gòu),如圖8-7所示。8.5光的取出AlGaInPLED芯片發(fā)光后，如何才能最大可能的取出呢？

光從發(fā)光二極管芯片的p-n結(jié)發(fā)出后一分為二，光的一半向上傳向芯片的頂部，有很好的機(jī)會(huì)逸出；另一半向下傳向芯片的襯底，很容易被吸收。1.上窗設(shè)計(jì)因?yàn)榘雽?dǎo)體的折射率通常是較高的，發(fā)生在芯片內(nèi)部光的射線的反射臨界角較小，因此，光折射后被全反射限制射出。這里n1和n2是芯片周圍介質(zhì)和GaP窗層的折射率。1.上窗設(shè)計(jì)假如周圍的介質(zhì)是空氣，n1=1和n2=3.4,臨界角大約17.1o,圓錐角34.2o。大多數(shù)情況下，器件采用環(huán)氧樹脂封裝（折射率1.5)，臨界角寬展到26.2o，圓錐角也擴(kuò)大到52.4o，增加了53%。說明了器件用環(huán)氧樹脂封裝的優(yōu)點(diǎn),封裝后芯片光量自動(dòng)增加了2-4倍。1.上窗設(shè)計(jì)很清楚，窗的厚度并不影響向上方向圓錐內(nèi)的射線；但是，假如窗層薄，邊方向射線在達(dá)到側(cè)壁之前就已經(jīng)全反射?？偟墓馊〕鲂适歉采w整個(gè)發(fā)光區(qū)4個(gè)側(cè)壁的每個(gè)立體角的積分，加上向上圓錐的貢獻(xiàn)。理論和測量都顯示了厚窗能改進(jìn)光輸出效率。2.襯底吸收為了晶格匹配，選擇GaAs作為AlGaInP發(fā)光材料的外延生長襯底。但其缺點(diǎn)是吸收光的問題（襯底吸收一半）嘗試采用GaP等透明襯底生長AlGaInP，但晶體質(zhì)量難以提高。方法一、在有源層和吸收GaAs襯底之間放一個(gè)高反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射層；方法二、黏結(jié)一個(gè)透明的GaP襯底以代替GaAs。分布布拉格反射LED分布布拉格反射用于提高AlGaInPLED光輸出最早是在1992年。分布布拉格反射鏡又稱DBR，是由兩種不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列組成的周期結(jié)構(gòu)，每層材料的光學(xué)厚度為中心反射波長的1/4。因此是一種四分之一波長多層系統(tǒng)，相當(dāng)于簡單的一組光子晶體。布拉格反射鏡的反射率可達(dá)99%以上。它沒有金屬反射鏡的吸收問題。DBR的分類半導(dǎo)體材料做的DBR用半導(dǎo)體做DBR的材料是目前用的最多的，而且可以通電流。只是因?yàn)槠湔凵渎什顒e較少，用半導(dǎo)體材料比用絕緣材料需要比較多的層數(shù)才能得到高反射率。

絕緣材料做的DBR

材料之間的折射率的差距大，用較少的對(duì)數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)比較高的反射率。分布布拉格反射LED幾種典型的絕緣材料的DBRSiO2是一種非常重要的薄膜材料，因?yàn)樗恼凵渎屎艿汀iO2不容易分解和吸收，散射性好，在160-8000nm是透明的，并經(jīng)常與TiO2一起合用。TiO2在多層中的應(yīng)用很廣泛，TiO2的折射率很高，在可見光區(qū)是透明的，并且非常堅(jiān)硬。如果在薄膜層中沒有損失，反射率接近100%。損失包括兩種：散射和吸收。前者是由于薄膜界面層的粗糙度所影響。分布布拉格反射LEDDBR設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)制作DBR的時(shí)候，所需要注意的三個(gè)重要參數(shù)：（1）兩種材料間的折射率的差值。（2）每一層材料的厚度。（3）Stopband的寬度。典型的絕緣DBR是采用TiO2/SiO2。每層材料的厚度可以根據(jù)公式求：Stopband的寬度可以根據(jù)下面的公式求得：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為襯底的折射率。對(duì)于TiO2/SiO2DBR參數(shù)的表格見下圖：DBR設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)3對(duì)SiO2/TiO2-DBR樣品的反射譜線見下圖：分布布拉格反射LED玻璃襯底上，對(duì)數(shù)不同的時(shí)候DBR反射率的曲線。結(jié)果表明隨著DBR對(duì)數(shù)的增加，DBR的反射率也是逐漸增加的。分布布拉格反射LED典型的DBR結(jié)構(gòu)圖分布布拉格反射LED透明襯底LED提供了最高的光取出效率,當(dāng)除去GaAs襯底后，用外延生長的辦法生長很厚的一層GaP工藝太復(fù)雜,成本太高。采用黏結(jié)GaP晶片技術(shù)可以解決這一難題。GaP晶片黏結(jié)透明襯底LEDGaP晶片黏結(jié)透明襯底LED膠質(zhì)黏著（藍(lán)寶石晶片黏結(jié)）使用一種膠質(zhì)透明黏結(jié)層如旋涂式玻璃(SpinOnGlass,SOG)將發(fā)光二極管外延層與透明襯底藍(lán)寶石結(jié)合,然后再將原LED結(jié)構(gòu)上GaAs襯底移除至一刻蝕終止層。因藍(lán)寶石無色透明，從紅到黃綠光都透明而無吸收問題，比GaP（橙紅色）做透明層在透光上更勝一籌，因此LED發(fā)光效率大幅度提升。即使上表面層非常透明，但由于是平面，光從折射率為3.4的GaP進(jìn)入空氣或環(huán)氧樹脂(折射率為1和1.5)時(shí),全反射問題非常嚴(yán)重。環(huán)氧樹脂封裝后，出光效率仍不到20%，曾采用在表面沉積增透膜（n=1.7-1.9）,如SiO2，Si3N4等，有一定效果。試驗(yàn)表明，采用拱形管芯結(jié)構(gòu)可以增加臨界角，減小全反射，提高出光效率。如果將芯片的表面加工成由許多微型的尖的、球狀的小丘，也可以起到同樣的提高光取出效率的作用。紋理表面結(jié)構(gòu)紋理表面結(jié)構(gòu)技術(shù)20年前就開始在GaAsP器件上采用，后來又推廣到GaP,