提高内量子效率IQE

提高内量子效率(IQE)成员：安如阳、易小斌、陈荣昌、叶武海、何超文LED外延结构的内量子效率(IQE)对芯片的发光亮度有着决定性的影响。有些人误解为IQE由MOCVD工艺决定，其实IQE应该是由外延材料的设计决定。而国内缺少的恰恰是外延结构的设计人才，只会用设备的人不一定能够长出高质量的材料。半导体材料的选择•右图示出了Ⅲ-Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙(Bandgap)与晶格常数(LatticeConstant)的关系。•直接带隙和间接带隙半导体，选择哪一类半导体更能提高内量子效率呢？•直接带隙材料的导带底与价带顶在同一K空间，电子与空穴可以有效地再复合，跃迁复合发光概率大。发光复合发光概率大对提高发光效率是必要的，因此发光二极管经常用直接跃迁型能带结构的晶体制作。图1.直接带隙图2.间接带隙内量子效率的定义内量子效率（ηint）是一个微观过程复合载流子产生的光子数与复合载流子总数之比。因为无法去计数复合载流子总数和产生的光子总数。因此一般是通过测量LED输出的光功率来评价这一效率。直接跃迁过程比间接跃迁过程简单，其内量子效率取决于少数载流子的辐射复合与非辐射复合的寿命。直接跃迁的内量子效率可以表示为从上式可见，提高内量子效率主要在于提高材料的纯度、完整性和改进PN结制作工艺的完美性，以降低非辐射复合中心的浓度。间接跃迁的复合辐射过程是通过一些发光中心来实现的，这就使得过程复杂化，间接跃迁过程的内量子效率可粗略地表示为•恰当选择发光中心，使它具有较高的浓度及适当的电离能和大的复合截面，并尽可能提高材料纯度和完整性，以降低焠灭中心的浓度，提高ηi。复合的类型•辐射型复合，伴随光的辐射复合，电子与空穴复合释放的能量产生光子。常见的复合方式：1、电子与空穴的碰撞复合、2、通过杂质能级的复合、3、通过相邻能级的复合、4、激子复合。•非辐射型复合，不伴随光辐射的复合，电子与空穴复合释放的能量转变为热量。常见的复合方式：1、伴随多数声子的复合、2、俄歇复合、3、器件表面的复合。辐射型复合直接带隙材料中，电子和空穴复合时，其发光跃迁有多种可能性，如图所示，图7与图8是一般AlGaInP红光LED产生光的原理，而图9是AlGaInN的蓝光及绿光LED的产生原理a.带间复合b.自由激子相互抵消c.在能带势能波动区，局部束缚激子的复合•因杂质而产生的发光再复合过程a.受主与导带复合b.施主与价带复合c.施主与受主复合d.激子的再复合辐射和非辐射之间的竞争决定了LED的内量子效率：式中，——非辐射复合中心密度——非辐射复合中心能级密度——辐射复合中心密度——辐射复合中心能级密度——非辐射复合概率——辐射复合概率n、p——自由电子和空穴浓度﹜]﹙KT﹚/﹚﹙[-﹚expβn﹙/﹚﹙[1/﹛1EαNηt0tiENllpNtEtNlNlEl0由内量子效率的表达式可以显而易知，发光中心密度大，非辐射复合中心密度小，发光中心浅，自由电子密度越大，则内量子效率越高。制作发光二极管的原材料和各道加工工艺均要避免非辐射复合中心如位错和深能级杂质的引入，这是提高内量子效率的重要措施。异质结构•异质结是由两块不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。•理想的异质结是由晶格参数失配很小（小于0.1%）的材料制成。双异质结构•双异质结是由一层窄带隙P型有源层夹在n型和p型的宽带隙导电层中。•双异质结增加了有源区中过剩载流子的浓度，从而增加了辐射复合的概率。双异质结LED的能带图•利用异质结构，会使得材料组分的变化引起带隙的变化。•当然，单异质结构和双异质结构都要求材料之间具有较好的晶格匹配。晶格常数相差较大，异质界面上会产生很高的缺陷（通常是位错）密度，晶格缺陷会导致非辐射复合。•双异质结构中的有源层变薄能增加辐射复合概率和减小再吸收。量子阱•量子阱结构（QW）：有源层的厚度可以和晶体中电子的德布罗意波长相比拟或比它小，载流子会被量子限域。量子阱结构是异质结构的一种特殊结构。量子阱能带图电子阻挡层的量子阱•在量子阱和P型导电层之间以带隙更宽的P型材料（Eg3＞Eg1＞Eg2）制作电子阻挡层，防止电子漏入P型导电区来提高注入效率。•有源层是一个右边和左边势垒为U1和U2的非对称QW多量子阱•多量子阱：两种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构，势垒层足够厚，相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，多层结构形成许多分离的量子阱。简单而言，就是由多个势阱构成的量子阱结构。•上图是双异质结构•下图是多量子阱结构比较4个500埃厚的量子阱，2000埃厚及7500埃厚的DH在室温，592nm时的发光效率与电流的关系。光子循环•光子循环是自发的光没有被吸收而被活性层吸收再变成载流子，可以节省电流、增加内量子效率。•光子循环有个局限性，就是大面积才会有明显的效果。改进内部结构•1.改善电流分布简单介绍一下材料参数和结构对IQE的影响•双异质结结构：两侧的覆层（CladdingLayer）的禁带宽度要大于活性层（ActiveLayer），AL采用量子阱结构能更好的限制载流子，提高IQE。然而，采用量子阱AL，阻碍载流子在相邻阱的移动，所以采用多量子阱结构，Barrier需要足够透明（低和薄）以防止载流子在每个阱内的不均匀分配。活性层（ActiveLayer）•活性层（ActiveLayer）厚度也对IQE有很大影响，不能太厚，也不能太薄，每种材料有其最佳范围。•活性层参杂：活性层绝对不可以重参杂，要么轻参杂，低过覆层（CladdingLayer）的参杂浓度，每种材料有其最佳范围，活性层经常也不参杂。•活性层使用p型参杂多过使用n型参杂，p型参杂可以确保载流子在活性层内的均匀分布。•活性层参杂有好处也有坏处，参杂浓度增加，辐射载流子的寿命缩短，导致辐射效率增加。但是，高浓度参杂也引入缺陷。有趣的是MOCVD生长在有些时候还依赖于参杂，杂质可以作为表面活化剂，增加表面扩散系数，从而改善晶体质量。例如，InGaN使用Si参杂可以改善晶体质量。覆层参杂覆层（CladdingLayer）参杂：覆层的电阻率是决定覆层浓度的重要参数，浓度一定要低到不足以在覆层中产生热效应，但是覆层参杂又必须高过活性层（AL）用来定义PN结的位置。每种材料有其最佳范围。但是p型浓度典型要高过n型。覆层中p型杂质浓度过低将使电子从AL中逸出，从而降低IQE。晶体中杂质和缺陷红外辐射复合中心：禁带中形成深能级的Au、Cu、Cr等重金属，Na、Li等碱金属，以及O、C等元素。非辐射复合中心:晶体中的位错是PN结面不平而导致辐射不均匀或者使杂质向位错线集结。PN结移位：PN结移位会影响IQE，特别是Zn、Be等小原子，可以轻易扩散过活性层(AL)，到下覆层(CL)。同时，Zn、Be的扩散系数非常依赖浓度，当浓度超过极限，扩散速度大大提高，所以制造时必须格外小心。材料中存在红外辐射复合中心和非辐射复合中心会减低可见光的发光效率。晶格匹配：晶格不匹配增大，晶格位错线呈现黑色，导致IQE下降。虽然GaAs和InP中晶格匹配与IQE有很强的关系，但GaN中这种关系却不明显，这主要是GaN中位错的电学活性很低，另外，载流子在GaN的扩散长度很短，如果位错间的平均距离大于扩散长度，特别是空穴的扩散长度，那么位错上的非辐射复合就不严重。另外一种解释是，InGaN之所以具有高效率是因为化合物的成分波动限制了载流子扩散到位错线。缓冲层在衬底上生长一层缓冲层可以减少因外延层与衬底间晶格失配引起的大量位错。例如在蓝宝石衬底上生长简单GaN缓冲层其位错密度仍在10^8~10^9个每平方厘米，但是通过侧向过生长外延GaN缓冲层，改进缓冲工艺，可以把位错密度降低到10^6~10^7个每平方厘米。LED对外延片的技术要求禁带宽度适合，LED的波长取决于外延材料的禁带宽度Eg。制得电导率高的P型和N型材料，选择适当的外延工艺和掺杂材料。完整性好的优质晶体，影响到复合质量。要求发光复合概率大，一般用直接跃迁型半导体。合理的结构设计，更好提高发光效率。