AlGaInPLED文献综述

AlGaInPLED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=arcsinn-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AlGaInPLED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/GaAsDBR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/GaAsDBR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GaP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。PhilipsLumileds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、透明衬底技术晶圆鍵合(WaferBonding)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。由于低温键合可以减少不同材料之间的热失配问题，所以应用非常广泛。2）二步直接键合法。1986年由Lasky等人提出。通常，键合前先对硅片表面进行亲水性预处理，接着在室温下对硅片进行键合，然后对键合硅片经1000°C左右高温退火，以达到最终的键合强度。为了提高键合强度，有时还需要加压并在一定的真空条件下进行键合。该技术对硅片表面的粗糙度和完整性要求较高。3）阳极键合技术（AnodicBonding），又称为场助键合或静电键合。该技术对键合片的粗糙度和平整度要求不高，键合力强，主要机理是在高的电场作用下氧离子离开玻璃，在键合界面处形成Si-O-Si键。4）外延Liftoff方法（ELO）。1987年由Yabbonovitch等人提出，其基本原理是器件层结构先生长在晶格匹配的衬底上，中间有牺牲层（lift-off），用选择性湿法刻蚀技术除掉牺牲层，这样器件层就可以剥离、键合、转移到另一个衬底上。由于器件层生长在晶格匹配的衬底上，因此有很高的单晶质量，剥离层器件和主衬底器件在键合前可以分别加