AlGaInP_LED文献综述.doc

AlGaInP LED 亮度提升的研究亮度提升的研究LED 作为一种光源，衡量它的一个重要指标就是光电的转换效率在实践 中，这种效率就是 LED 的外量子效率对于一个 LED，它的外量子效率 ηex 可用（1）式表示 ηex = ηin·Cex （1）式中：ηin 是内量子效率；Cex 是逃逸率 LED 内量子效率与外量子效率之间存在巨大的差距以（AlxGa1-x）0.5In0.5P 材料作为有源区的 LED 具有较高的内量子效率，可达 90%以上而目 前影响 AlGaInP 红光 LED 性能的主要原因是光提取效率低，即有源区辐射复合 产生的光无法从器件内部射出，导致传统红光 LED 的外量子效率只有 3%左右 [1] 影响发光二极管光提取效率的主要问题是半导体材料的折射率较大出光表 面的出光椎体角度很小（如 n=3.2，θc=arcsin n-1=18.11°）及上电极和体内吸 收 提高发光效率一般有两种途径：一个是增加光提取效率，例如加厚电流扩 展层、倒装结构、透明衬底、分布布拉格反射镜、表面粗化、倒金字塔结构； 另一个是通过器件物理研究，改变器件结构，增加电子注入效率，同时减少输 入载流子的流失和非辐射复合造成的损失。

如增加量子阱的数量，高效率低电 压共振腔结构[2,3]，张应力包层用于异质结也是为了减少电子损耗从而提高发 光效率[4] 提高发光效率的方法具体如下： 1、、分布布拉格反射镜分布布拉格反射镜 DBR 工作原理：当发光区中光入射角 θ 大于临界值时，在 DBR 中由高折 射率到低折射率传播发生全反射，但由于 DBR 层厚小于波长，光仍可从底折射 率层中泄漏到下一层，发生所谓的受抑全反射，反射率急剧增大但出现振荡， 当 θ 角增大到某一值时，从有源区到限制层的传播发生全反射，反射率增大到 1 材料的折射率与 DBR 的反射效果有直接关系，折射率差(△n)越大，反射 率 R(p)越大，反射效果越好：R(p)≈1-4exp(-2p△n/ns)，另外 DBR 的周期数也与 反射率成正比，式中的 p 是 DBR 的对数(pair)，对数越高，反射效果越好 DBR 材料中，铝的组分值越高，串联电阻就越大；而铝组分值减小，要达 到高的反射率就需要更多的周期数周期数增加，界面的质量和重复性的控制 就变得更加困难，因此引起光散射而降低反射率[5] （1）DBR 材料 目前用于 AlGaInP LED 的 DBR 为 AlAs/GaAs[6]、 AlxGa1-xAs/GaAs[7] 、AlxGa1-xAs /AlAs[8] 和 AlGaInP/GaAs[9][10]等组合。

其 中 AlAs/GaAs DBR 有较大的材料折射率差，用较少材料层就能使 DBR 有很高 光谱反射率但 AlAs/GaAs DBR 的反射率不能通过增加周期数来提高，这是因 为 GaAs 对可见光的吸收系数很大的缘故：当光入射到下层结构时，已经衰减 到很小的数值，即当 DBR 超出一定厚度时，下层部分对反射率的贡献可以忽略2）DBR 结构 常规 DBR，生长两种折射率高低不同的材料组成的周期 性结构，每层厚度为 1/4 介质波长复合 DBR，由 15 周期 λ/4 的Al0.6Ga0.4As/AlAs 和 15 周期（1+8%）×λ/4 的 Al0.6Ga0.4As/AlAs[1]复合而成超 晶格 DBR，由 18.5 个周期 GaAs(3nm)/AlAs(0.7nm)构成的短周期超晶格替代 AlxGa1-xAs 而形成 AlAs/[GaAs(3nm) /AlAs(0.7nm)]18.5的超晶格 DBR 结构[11] 超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保 持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料 在 III-V 族化合物半导体器件中，常见的超晶格结构有：GaAs/AlxGa1-xAs, AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs, GaN/AlxGa1-xN, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN, AlN/AlxGa1- xN, AlN/GaN 等等。

超晶格在半导体器件中有广泛的应用通过调节超晶格各层厚度和组分或 掺杂，可以获得特定的电学特性和光学特性， 还可以提高材料的质量，并能控 制材料的应力，应变掺杂超晶格可以降低施主或受主的激活能具有超晶格结 构的半导体激光器，由于载流子输运特性的改善，threshold 电流可以得到降低 利用超晶格能带工程，可以得到长波长的子带间跃迁，用于光通信器件此外， 近来的研究表明，利用超晶格，可以获得 THz 的振荡源 加厚加厚 GaP 窗口层窗口层 从光的吸收考虑选择 GaP 作为窗口层材料，GaP 的禁带宽度为 Eg=2.78eV，对 AlGaInP 所发出来的光是完全透明不吸收的，所以 GaP 窗口层 的作用是让光能穿透、扩散电流和承载电极的基板作用 但是 P-GaP 与空气折射率相差过大，从而造成全反射光较多的问题，可以 采用把 P-GaP 表面粗化的方法通过表面粗化可以使部分全反射光线以散射光 的形式出射，从而提高了出光率 3、表面粗化技术、表面粗化技术 该方法力图解决因为半导体材料折射率（平均 3.5）大于空气折射率而使入 射角大于临界角的光线发生全反射无法出射所造成的损失在芯片的上表面构造一层二维微孔阵列，是目前增加光输出的最有效的办 法之一。

这种周期性结构对光产生影响的方式类似于半导体晶体结构对电子的 影响方式，人们形象的称之为光子晶体金属和半导体晶体的周期性结构对电 子和空穴产生影响形成周期性的能带结构并形成衍射，光子晶体对光子也有同 样的作用 晶体具有能带结构，能带之间存在带隙光子晶体中同样具有光子能带， 带与带之间存在光子禁带，处于光子禁带中的波长不能在光子晶体中存在光 子晶体与 LEDs 恰当结合，可以通过光子晶体对光的衍射作用把限制在 LEDs 中的光释放出来光子晶体还可以调整 LEDs 的角发射，使发射特性与实际需 要相适应这两项都是非常重要的优点，但需要对光子晶体的结构及它和芯片 的集成做完善的设计 光子晶体原来实体中物质的折射率都要和刻蚀出来的微孔中填充物质的折 射率有所不同折射率相差越大，光子晶体对光的调制作用就越强另一个重 要参数是所刻蚀微孔的深度，深度越大光子晶体的调制作用越强，但负面作用 会对二极管本身的光电特性造成影响 一种被称为纳米印刷光刻的接触式光刻工艺有望成为下一代超亮 LED 的大 规模生产技术这种工艺的关键是将模板上的纳米结构图形转印到一种特殊的 热塑树脂上模板要选用材质坚硬的材料，如金属、石英等，采用电子束光刻 加干法刻蚀技术在模板上形成图形，模板上的图形是产品实际需要图形的反转 图形。

在模板上涂上一层模具脱模剂，而在半导体基板上要先涂上一层接触转印 兼带抗蚀性能的树脂然后把模板和半导体基板压在一起加热或使用紫外线 照射，抗蚀树脂就会固化，交联成硬质状态这样，模板上的图形就转印到了 树脂上采用反应式等离子刻蚀的方法在半导体基板上刻蚀出图形 采用纳米印刷光刻技术制造光子晶体具有产生率高，生产速度较快的优点 目前，世界上已经有几个研究团队用纳米印刷光刻技术制备出了光子晶体 LEDs，显著增强了光的输出效率此外，还有很多生产技术正在研究开发之中， 纳米印刷光刻技术的一个变种是滚筒印刷技术，它采用滚筒印刷的方法可以在 大面积基板上廉价生产光子晶体Philips Lumileds 公司已经用一种具有三角形 晶格的光子晶体成功制备出了超高亮度的蓝色 LEDs 样品[12]这种 LEDs 的发 光亮度是不带有光子晶体的同类 LEDs 的亮度的 1.5 倍 4、、ITO 透明导电薄膜透明导电薄膜电流扩展层以及导电增透出光层共同构成电流输运增透窗口层，它的存在， 既使上电极注入的电流横向输运扩展到电极以外的有源区，电极下无电流，不 发光，增加了发光效率，减少了焦耳热的产生，又对有源区产生的光起到了增 透的作用，使体内产生的光子更多的发射到体外[13]。

单层的铟锡氧化物（ITO）透明导电膜可以实现电流扩展作用，但是很难 实现最佳的增透效果理想的单层增透膜的条件是，膜层的光学厚度为 1/4 波 长的奇数倍，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根ITO 透明导电 膜的折射率为 1.7 左右，如果入射介质是空气，空气的折射率为 1，由此可知， 只有当基底材料为 2.89 且 ITO 透明导电膜的光学厚度为 1/4 波长的奇数倍时， 才能够达到最佳的增透效果但是红光发光二极管的表面的半导体材料的折射 率大约为 3.5 左右，因此为了在实现好的电流扩展作用的同时，达到最佳的增 透效果，在 GaP 层上制备由 ITO 透明导电膜和 SixNy 介质膜所形成的复合增透 膜来提高发光二极管的提取效率设计 ITO 透明导电膜的光学厚度为 1/2LED 发射波长的整数倍，SixNy 介质膜的光学厚度为 1/4LED 发射波长的奇数倍， SixNy 介质膜的折射率是 LED 外延层最上层半导体材料的折射率的开方当一 种膜层的光学厚度为 1/2 波长的整数倍时，这种膜层将成为虚设层，也就是说， 对于中心波长的反射率毫无影响，在 ITO 膜不能作为最佳增透膜的情况下时， 将其光学厚度设计为 1/2 波长的整数倍，使其对于生长上 ITO 膜的发光二极管 的发射波长的反射率不起任何影响，然后使用等离子体增强化学汽相沉积 （PECVD）设备在 ITO 上再生长一层 SixNy 介质膜（非晶膜） ，使其的折射率 为 ITO 透明导电膜下面半导体材料折射率的平方根，光学厚度为 1/4 波长的奇 数倍。

使用 PECVD 设备通过调节生长参数来得到所需要的 SixNy 介质膜的折 射率当工艺参数确定后，生长速度基板保持不变，可以通过控制生长时间来 控制 SixNy 介质膜的物理厚度[14] 文献[15]报道，采用透明导电 ITO 做欧姆接触的 AlGaInP 薄膜 RS-LED 能 极大提高光输出功率和发光强度，正向电流 20mA 下峰值波长 624nm 的轴向光 强达到了 179.6mcd 5、倒金字塔形、倒金字塔形 LED 这种方法旨在减小光在 LED 内部反射而造成的有源层及自由载流子对光的 吸收光在内部反射的次数越多，路径越长，造成的损失越大通过改变 LED 的几何形状，可以缩短光在 LED 内部反射的路程LED 的这种几何外形可以 使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于临界角的角度出 射同时使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射这两种过程同 时减小光在内部传播的路程 6、透明衬底技术、透明衬底技术 晶圆鍵合(Wafer Bonding)是指将两晶圆接合后，再由外加能量使接合界面 的原子产生反应形成共价鍵而結合成一体，并使接合介面达到特定的鍵合强度。

利用键合技术可以集成晶格或晶向失配的材料，制造传统外延生长技术不能制 造的结构和器件AlGaInP 和 AlGaInN 基二极管外延片所用的衬底分别为 GaAs 和蓝宝石，它们的导热性能都较差为了更有效的散热和降低结温，可通过减 薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底，然后将外延层键合转移倒导电和导 热性能良好热导率大的衬底上，如铜、铝、金锡合金、氮化铝等键合可用合 金焊料如 AuSn、PbSn、In 等来完成Si 的热导率比 GaAs 和蓝宝石都好，而且 易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料 一般的，WB 工艺流程分为 三步：蒸镀薄膜，键合，腐蚀去除衬底 几种主要的键合方法：1）低温直接键合方法1993 年由 Bower 等人提出，其机理如前所述低温键合对环境要求较高，要求键合片的表面非常平整光滑，在键合前要对键合 片表面进行活化处理由于低温键合可。