1、第第8章章 AlGaInP发光二极管发光二极管 AlxGayIn1-x-yP 四元系合金是可见光波段半导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。体激光器和发光二极管的重要材料。当生长晶格匹配当生长晶格匹配GaAs衬底，衬底，AlxGayIn1-x-yP合合金具有金具有1.9-2.6eV直接带隙宽度，其覆盖了可见光直接带隙宽度，其覆盖了可见光谱谱从红（橙、黄）绿部分从红（橙、黄）绿部分。n四元系四元系AlGaInP化合物半导体是制造化合物半导体是制造红色红色和和黄色黄色超高超高亮度发光二极管的最佳材料，亮度发光二极管的最佳材料，AlGaInP外延片制造的外延片制造的LED发光波
2、段处在发光波段处在550650nm之间之间,这一发光波段范这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重外延材料的重要前提。要前提。nAlGaInP超高亮度超高亮度LED采用了采用了MOCVD的外延生长技的外延生长技术和多量子阱结构，波长术和多量子阱结构，波长625nm 附近其外延片的内附近其外延片的内量子效率可达到量子效率可达到100%，已接近极限。，已接近极限。目前目前,MOCVD生长生长AlGaInP外延片技术已相当外延片技术已相当成熟。成熟。1.AlGaIn
3、P材料的外延制作材料的外延制作 AlxGayIn1-x-yP四元系是由四元系是由AlP,GaP,InP组成的组成的固溶体半导体固溶体半导体,当当x=0，或，或y=0,或或x+y=1时，分别代表时，分别代表三元系三元系InxGa1-xP,AlxIn1-xP,AlxGa1-xAs，按照按照Vegard定理，定理，AlxGayIn1-x-yP的晶格常数，的晶格常数，AlGaInPAlPGaPInP(,)(1)ax yx ay ax y a AlGaInPAlPGaPInP(,)(1)ax yx ay ax y a ElementPAsAlAlP5.4672 AlAs 5.6611 GaGaP5.45
4、05 GaAs5.6533 InInP5.8697 InAs6.0583 AlGaInPGaAs(,)5.6533ax ya当当时时1.AlGaInP材料的外延制作材料的外延制作AlGaInPAlPGaPInP(,)(1)5.6533ax yx ay ax y a 即即 5.46725.4505(1)5.8697 5.6533xyx y 解得解得 0.5yx因此，因此，AlxGayIn1-x-yP在满足与在满足与GaAs晶格匹配时为，晶格匹配时为，AlxGa0.5-xIn0.5P，可改写为，可改写为 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 1.AlGaInP材料的外延制作材料的外延制作nInG
5、aAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的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，气态物质衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到有控制的输送到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。学和光学参数的半导体薄膜外延材料。nIII族与族与V族的源物质分别为族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与与AsH3。n通过掺通过掺Si或掺或掺Te以及掺以及掺Mg或掺或掺Zn生长生长N型与型与P型薄膜材料。型薄膜材料。为获得合适的长晶速度及优良的
6、晶体结构，衬底旋转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。提高了外延材料光电性能的一致性。1.AlGaInP材料的外延制作材料的外延制作2.器件生长器件生长双异质结结构双异质结结构 首先研制成功的首先研制成功的高亮度高亮度 AlGaInP LED采用的是双异质采用的是双异质结结构结结构,生长晶格匹生长晶格匹配于配于GaAs。p型型GaP窗层是沉积在双异
7、质结结构的顶部，用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。做透明的电流扩展层。E（x）=1.91+0.61x (eV)AlGaInP的光学性质强烈地依赖于合金的光学性质强烈地依赖于合金Al-Ga比，比，如图如图8-7所示，所示，(AlxGa1-x)0.5In0.5P 层的层的Al含量从含量从0增增加到加到0.6,带隙宽度从带隙宽度从1.9增加到增加到2.3eV。材料的光致发光材料的光致发光(PL)强度的下降随强度的下降随Al含量增含量增加加,使用使用AlGaInP进入间接带结构进入间接带结构,如图如图8-7所示。所示。8.5 光的取出光的取出 AlGaInP LED 芯片发光后，
8、如何才能最大可能芯片发光后，如何才能最大可能的取出呢？的取出呢？光从发光二极光从发光二极管芯片的管芯片的p-n结发出结发出后一分为二，光的后一分为二，光的一半向上传向芯片一半向上传向芯片的顶部，有很好的的顶部，有很好的机会逸出；另一半机会逸出；另一半向下传向芯片的衬向下传向芯片的衬底，很容易被吸收。底，很容易被吸收。1.上窗设计上窗设计 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。线的反射临界角较小，因此，光折射后被全反射限制射出。12arcsin(n/n)CQ 这里这里n1和和n2
9、是芯片周围介质和是芯片周围介质和GaP窗层的折射率。窗层的折射率。1.上窗设计上窗设计 假如周围的介质是空气，假如周围的介质是空气，n1=1和和n2=3.4,临界角大临界角大约约17.1,圆锥角圆锥角34.2。大多数情况下，器件采用环氧树。大多数情况下，器件采用环氧树脂封装（折射率脂封装（折射率1.5)，临界角宽展到，临界角宽展到26.2，圆锥角也，圆锥角也扩大到扩大到52.4，增加了，增加了53%。说明了器件用环氧树脂封。说明了器件用环氧树脂封装的优点装的优点,封装后芯片光量自动增加了封装后芯片光量自动增加了2-4倍。倍。1.上窗设计上窗设计 很清楚，窗的厚度并不影响向上方向圆锥内的射线；但
10、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。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个侧壁的每个立体角的积分，加上向上圆锥的贡献。的积分，加上向上圆锥的贡献。理论和测量都显示了理论和测量都显示了厚窗厚窗能改进光输出效率。能改进光输出效率。2.衬底吸收衬底吸收 为了晶格匹配，选择为了晶格匹配，选择GaAs作为作为AlGaInP发光发光材料的外延生长衬底。但其缺点是吸收光的问题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）（衬底吸收一半
11、）尝试采用尝试采用GaP等透明衬底生长等透明衬底生长AlGaInP，但晶，但晶体质量难以提高。体质量难以提高。方法一方法一、在有源层和吸收、在有源层和吸收GaAs衬底之间放一个高衬底之间放一个高 反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射层；反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射层；方法二方法二、黏结一个透明的、黏结一个透明的GaP衬底以代替衬底以代替GaAs。分布布拉格反射分布布拉格反射LED分布布拉格反射用于提高分布布拉格反射用于提高AlGaInP LED光输出最早是在光输出最早是在1992年。年。分布布拉格反射镜又称分布布拉格反射镜又称DBR，是由两种不同折射率的材料以，是由两种不同折射率的材料以A
12、BAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为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。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。于简单的一组光子晶体。布拉格反射镜的反射率可达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以上。它没有金属反射镜的吸收问题。问题。DBR的分类的分类l半导体材料做的半导体材料做的DBR 用半导体做用半导体做DBR的材料是目前用的最多的，而且可以通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电流。只是因为其
13、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。材料需要比较多的层数才能得到高反射率。l绝缘材料做的绝缘材料做的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。比较高的反射率。分布布拉格反射分布布拉格反射LED几种典型的绝缘材料的几种典型的绝缘材料的DBRlSiO2是一种非常重要的薄膜材料，因为它的折射率很低。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，在不容易分解和吸收，散射性好，在160-8000nm是透明是透明的，并经常与的，并经常与TiO2一起合用。一
14、起合用。lTiO2在多层中的应用很广泛，在多层中的应用很广泛，TiO2的折射率很高，在可见的折射率很高，在可见光区是透明的，并且非常坚硬。光区是透明的，并且非常坚硬。l如果在薄膜层中没有损失，反射率接近如果在薄膜层中没有损失，反射率接近100%。损失包括两。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。分布布拉格反射分布布拉格反射LEDDBR设计理论基础设计理论基础制作制作DBR的时候，所需要注意的三个重要参数：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。）两种材料间的折射率的差值。（2）每一层材料的厚度。
15、）每一层材料的厚度。（3）Stop band的宽度。的宽度。l典型的绝缘典型的绝缘DBR是采用是采用TiO2/SiO2。l每层材料的厚度可以根据公式求：每层材料的厚度可以根据公式求：lStop band的宽度可以根据下面的公式求得：的宽度可以根据下面的公式求得：分布布拉格反射分布布拉格反射LED DBR最后的反射率最后的反射率R可以由下面的公式求得：可以由下面的公式求得：其中其中,ns为衬底的折射率。为衬底的折射率。对于对于TiO2/SiO2 DBR参数的表格见下图：参数的表格见下图：DBR设计理论基础设计理论基础 3对SiO2/TiO2-DBR 样品的反射谱线见下图：分布布拉格反射分布布拉格
16、反射LED 玻璃衬底上，对数不同的时候玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲线。结果表明反射率的曲线。结果表明随着随着DBR对数的增加，对数的增加，DBR的反射率也是逐渐增加的。的反射率也是逐渐增加的。分布布拉格反射分布布拉格反射LED典型的典型的DBR结构图结构图分布布拉格反射分布布拉格反射LED 透明衬底透明衬底LED提供了最高的光取出效率提供了最高的光取出效率,当除去当除去GaAs衬衬底后，用外延生长的办法生长很厚的一层底后，用外延生长的办法生长很厚的一层GaP工艺太复杂工艺太复杂,成本太高。采用黏结成本太高。采用黏结GaP晶片技术可以解决这一难题。晶片技术可以解决这一难题。GaP晶
17、片黏结透明衬底晶片黏结透明衬底LEDGaP晶片黏结透明衬底晶片黏结透明衬底LED胶质黏着（蓝宝石晶片黏结）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使用一种胶质透明黏结层如旋涂式玻璃(Spin On Glass,SOG)将发光二极管外延层与透将发光二极管外延层与透明衬底蓝宝石结合明衬底蓝宝石结合,然后再将原然后再将原LED结构上结构上GaAs衬底移除至一刻蚀终止层。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因蓝宝石无色透明，从红到黄绿光都透明而无吸收问题，比而无吸收问题，比GaP（橙红色）做透明层在透（橙红色）做透明层在透光上更胜一筹，因此光上更胜一筹，因此
18、LED发光效率大幅度提升。发光效率大幅度提升。即使上表面层非常透明，但由于是平面，即使上表面层非常透明，但由于是平面，光从折射率为光从折射率为3.4的的GaP进入空气或环氧树脂进入空气或环氧树脂(折折射率为射率为1和和1.5)时时,全反射问题非常严重。环氧树全反射问题非常严重。环氧树脂封装后，出光效率仍不到脂封装后，出光效率仍不到20%，曾采用在表，曾采用在表面沉积增透膜（面沉积增透膜（n=1.7-1.9）,如如SiO2，Si3N4等，等，有一定效果。有一定效果。试验表明，采用拱形管芯结构可以增加临界试验表明，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。如果将芯片的角，减小全反射
19、，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。可以起到同样的提高光取出效率的作用。纹理表面结构纹理表面结构 纹理表面结构技术纹理表面结构技术20年前就开始在年前就开始在GaAsP器件上器件上采用，后来又推广到采用，后来又推广到GaP,AlGaAs器件的芯片上，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公司采用截头倒装锥体（TIP）芯片形状，光取出）芯片形状，光取出效率提高到效率提高到50%-70%，但，但难以推广。难以推广。纹理表面结构纹理表面结构 纹理表面结构通常叫粗化技术，就是将出光面用化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
