第五章ALGaInP发光二极管Word文档下载推荐.docx
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关于AlGaInP发光二极管，由于在溶液中铝分离，液相外延方式不是一种适合的方式，关于（AlxGa1-x）InP（晶格和GaAs衬底匹配）和掺铝较少的AlGaAs红外发射器件，利用金属有机化合物气相外延技术（OMVPE）。
也能够利用分子束外延生成优质的AlGaInP材料和器件，尤其是激光二极管。
但是，就制造OMVPEAlGaInP发光二极管和激光二极管而言，OMVPE是起主导地位的晶体生长技术。
OMVPE生长使迄今为止发光效率最高的AlGaInP发光二极管实现了批量生产（关于AlGaInGpOMVPE生长的完整讨论见第四章），这主若是因为OMVPE工艺改良了材料质量，提高了生长速度且其价钱为客户所能接受，事实上，当前用OMVPE生产AlGaInPLED标志着这种生产技术已经真正利用于光电子器件的批量生产。
OMVPE是一个高度可控的薄膜生长进程，生长层的组份，搀杂水平和厚度能够别离操纵从而产生一个复杂的异质结器件。
进程的灵活性使得能够长成阻碍电流流过器件某一区域的阻挡层和散布型布拉格反射器（这种反射器光从吸收衬底出来后返回芯片顶部）。
为了增加光的输出和电流的传播，可将如气相外延等补偿技术与OMVPE相结合以产生厚的窗口层，还能够利用化合物半导体晶片键合技术用一个透明的GaP衬底取代原先不透明的GaAs衬底从而完全排除衬底的吸收。
这些改良正在被用于AlGaInP发光二极管的制造从而取得尽可能高的发光效率。
本章重点介绍优质AlGaInPLED器件的进展和制造，描述AlGaInPLED激活层的设计，AlGaInP合金材料的性质。
第二讨论为了提高光输出LED结构的特殊部份，包括电流扩散层，电流阻挡层和窗口层。
然后描述可提高性能的光输出技术如布拉格反射器，透明衬底的晶片键合等技术，接着简单介绍AlGaInPLED晶片的制造进程，讨论AlGaInP器件的性能，包括效率，颜色，电性能及靠得住性等。
最后论证AlGaInPLED器件的市场和前景。
Ⅱ 激活层设计
相关于其他Ⅲ-Ⅴ半导体材料（除以氮为基础外），AlGaInP合金具有最大的直接带隙，相应有从红到绿的发射光谱，这使得它成为制造激光器和直接带隙LED最具吸引力的材料。
由于这些直接带隙发射器的效率，存在大大超过量数一般间接带隙发射器（如GaAsP，掺氮的GaAsP（GaAsP：
N），GaP，掺氮的GaP（GaP：
N）的可能，从而增进了对AlGaInPLED的研究。
最先用这种材料制成的光发射器是由块状和异质结InGaP组成的，在AlxGa1-xAs中Ga代替Al的能力致使具有较大带隙四元合金（AlxGa1-x）yIn1-yP的显现且能够形成晶格匹配的异质结，因为AlP和GaP有几乎相同的晶格常数（别离为和），能够很容易的通过调整四元合金中（In）的克分子含量来实现晶格匹配。
事实上，和每种Ⅲ-Ⅴ半导体发光化合物一样，AlGaInPLED为了取得高的发光效率，必需有低的晶体缺点密度。
GaAs是唯一可和（AlxGa1-x）yIn1-yP实现晶格匹配的二元化合物半导体衬底（晶格常数为）,晶格匹配发生在Y～0.5以上的整个组分范围。
另外，（AlxGa1-x）In1-0.5P合金和GaAs的热膨胀系数超级接近，这使得热循环（从室温到800℃以下的生长温度）进程可不能产生有害的晶体缺点。
许多人试图由块状材料或在晶格不匹配的衬底上制成InGaPLED。
已经在GaP，GaAs和GaAsP假衬底上制成晶格不匹配的同质结InGaPLED。
另外，已经在GaAsP假衬底上制成晶格不匹配的（AlxGa1-x）In0.35PLED。
尽管利用了各类各样的晶体生长技术，材料组份和器件设计，可是，和在GaAs上生长晶格匹配的（AlxGa1-x）In0.5P相较，由于这些器件包括了很多晶体位错和缺点，事实上限制了其性能。
迄今为止所报导效率最高的非晶格匹配器件是在透明的GaP衬底上用气相外延方式生长的InGaP同质结LED，在λ～590nm处，其最高效率可达到～10lm/A（外量子效率～0.9%）。
尽管这些器件的效率是商业化GaAsP：
NGaPLED的3～4倍，可是，和晶格匹配最好的（AlxGa1-x）InP器件比较仍差一个品级。
1.能带结构
a.带隙能量
（AlxGa1-x）In0.5P合金和GaAs晶格匹配致使最优质晶体的显现，因此取得效率最高的LED材料。
为了取得最正确的LED结构设计，必需了解（AlxGa1-x）In0.5P合金的能带结构知识。
已经在（AlxGa1-x）In0.5P合金中观看到合金组份和带隙能量之间关系的特殊行为（达到190mV的时候这种行为减少）。
这种现象被说明为在Ⅲ族衬底上In和Ga（或Al）原子的排列致使沿｛111｝晶面显现一个单层（InP）—GaP（或InP—AlP）超点阵。
在AlGaInP中原子的排列在第四章中详细讨论。
因为初期AlGaInPLED是在短波范围应用，无序合金被以为是高能带隙的结果。
关于相同的波长，无序合金的含铝量比有序合金低，通常以为较低的铝含量具有较少的非辐射复合中心，因此有利于长成优质材料。
另外，已经证明无序AlGaInP合金的光致发光光谱宽度较有序合金窄。
因此，优质的AlGaInPLED一般是用无序材料制造的。
无序合金一般是在无确信晶向的衬底上生长，改变外延生长条件或两种方式同时利用而取得，本章余下部份集中讨论由无序合金制造的AlGaInPLED器件。
关于无序的（AlxGa1-x）In0.5P合金，300K时能隙与合金组份的关系如图2所示。
这些关系是在静压条件下对（AlxGa1-x）In0.5P晶体进行低温（2K）测量取得的。
考虑到300K时带隙的转变，Γ带的数据约减少70meV，因此，直接（Γ）带隙随组分的转变由下式给出：
EΓ（x）=1.91+0.61x（eV）
（1）
一样，间接（X）带隙减少70meV，结果，300K时带隙和组分之间的关系由下式给出：
Ex（x）=2.91+0.085x（eV）
（2）
图2.由低温（2K）压力测量取得的无序（AlxGa1-x）InP合金室温（300K）时带隙能量及相应的Γ带和X带发射波长与合金组份的关系。
室温时，直接-间接交点出此刻合金组份X=0.53时,对应的发射波长为555nm。
图2的能隙关系说明（AlxGa1-x）In0.5P合金由550nm到650nm是直接带，另外，这些关系说明Γ和X能隙随组分的转变是线性的。
这和迄今为止报导的实验数据是相一致的。
这种现象被以为是因为AlP和GaP具有类似的晶格常数，化学无序的阻碍较小。
这种线性转变形成了这种合金的各类要素。
不同研究者测量取得的EΓ关系式是一致的。
Ex关系在合金组份x=0.53时，在2.23eV（550nm）处显现Γ±
0.02是接近的。
另外，交叉波长555nm与用（AlxGa1-x）In0.5P合金材料制造的最短波长的LED相一致。
一样地，在（AlxGa1-x）In0.5P合金观看到77K时，最短发射波长出此刻激活区组份x～0.56处。
因此，大量数听说明：
交叉点出此刻合金组份范围x=0.5到0.6处，那个结果和等式
（1）和
（2）相一致。
等式
（2）Ex关系式和以前其他工作者求得的结果和对AlP，GaP，InP应用Vegard定律取得的结果有专门大不同。
这些数据结合等式
（1）EΓ关系式说明当x=0.7时，Γ-X交叉能量为2.3V，这意味着在等式
（2）中，x导带减少，能隙较低，交叉能量相应减少～70meV。
那个2.23V的间接交叉能量限制了可见光谱在深绿部份的发射效率。
结果当合金组分由黄（λ～590nm）转为黄绿时，LED的效率大大降低，这和第Ⅶ部份第1节所讨论是一样的。
另外，X最小值处能隙能量较低增加了取得充沛的束缚电子的困难（见第Ⅱ部份第2节）。
理论上已经求得300K时，GaIn0.5P合金L最小值位置在Γ最小值以上100～200meV处。
进一步的理论研究估量在x=0.52时，L带在Γ带上方～40meV处。
未有实验能够证明在（AlxGa1-x）In0.5P中L最小值位置的存在。
静高压测量说明在整个合金范围，位于能隙上方的L最小值，与x=0时比较，至少有120meV的误差。
b.载流子有效质量
载流子有效质量在LED设计中是很重要的，因为它们决定了能级密度，因此决定了异质结LED激活层和束缚层中载流子在直接带和间接带中的散布。
当直接—间接跃迁趋于接近时，在求辐射效率，载流子注入效率和器件中的载流子束缚时，这些值变得专门重要。
在Γ带中能级密度电子有效质量和合金组分之间的关系由下式给出：
meΓ2）m0（3）
目前没有（AlxGa1-x）InP，InP，或AlP在X带中电子有效质量的资料。
但是，X带有效质量和阳离子种类无关，如此，能够通过GaP中X带能级密度电子有效质量近似求得：
mex（x）=mex（GaP）=0.82m0（4）
重空穴和轻空穴有效质量可由下式给出：
mhh（x）=（0.62+0.05x）m0（5）
mlh（x）=（0.113x）m0（6）
依照这些值，可由关系式mh（x）=[mhh（x）3/2+mlh（x）3/2]3/2求得有效空穴质量。
注意在（AlxGa1-x）In0.5P系统中有效束缚能级载流子质量比在AlxGa1-xAs系统要高得多，这些参数关于LED器件的设计有许多阻碍。
在异质结器件中，直接能带和间接能带能级密度和载流子注入和束缚一样重要。
C.能带偏移
异质结能带偏移知识关于光电器件结构的适当设计是很重要的，已用不同技术在（AlxGa1-x）In0.5P中测到能带的偏移，这些技术包括低温PL分析，吸收测量，电容—电压曲线，静高压测量和内部光发射。
能够通过测量导带和价带的偏移求得能带的偏移，然后用能隙关系知识求得其他带的偏移。
图3画出从许多研究人员处取得的导带偏移（ΔEC）和价带偏移（ΔEv）,其中已由能隙关系式即等式
（1）和等式
（2）对数据做了调整。
导带偏移表达式由下式给出：
ΔEC（xx（eV）x≤0.53（7）
ΔEC（xx（eV）x＞0.53（8）
价带偏移由下式给出:
ΔEv（xx（eV）（9）
尽管这些数据较为分散,可是,图3说明合金组份x=0.5～0.7时,最大导带偏移～0.2eV。
当铝的克分子数较大时，由于Γ带和X带显现交叉，导带偏移减少。
最大价带偏移～0.24eV，发生在合金组分x=1.0时。
另外，已经测量到，GaInP相关于GaAs的导带偏移为0.20～0.25eV。
图3.无序（AlxGa1-x）InP相关于GaInP导带和价带能量偏移与合金组份的关系。
导带最大偏移（△EceV,出此刻X=0.5～0.7时,价带最大偏移（△Ev）出此刻AlIneV。
2.双异质结器件
几十年前就已经明白利用异质结能够改良发光二极管的性能。
因为异质结LED提供了以下固有的优势:
提高了电子和空穴的注入效率,把注入载流子束缚在激活层,透明窗口和衬底层的形成改良了电流的扩展和光的输出。
以AlGaAs为基础的器件第一次成为利用异质结的有效器件从而改良了载流子的束缚和提高了注入效率。
最初的器件是由单异质结（SH）激活区组成。
但是，已经证明利用双异质结（DH）能够取得最大的益处。
迄今为止效率最高的红色AlGaAsLED确实是利用DH激活区制造的，在300K时，其外量子效率可达到18%。
扩大AlGaAsDH发光二极管和（AlxGa1-x）InP发光二极管的知识第一要研究DH激活区。
一个典型的（AlxGa1-x）InPDH发光二极管激活区的能带图如图4所示。
这种器件由AlInP或（AlGa）In0.5P宽带隙N—P型注入—μm厚）和一个（AlxGa1-x）In0.5P窄带隙激活区（～0.3–μm）组成。
激活区组份X在发射光谱的650nm红（x=0）到555nm绿（x3）之间转变。
通常使注入—束缚层带隙尽可能大以使注入效率达到最大并使载流子束缚在器件内。
但是，在AlInP中取得高的P型搀杂和合理的传导率存在困难。
因此，在许多LED结构中利用（AlGa）In0.5P束缚层。
选择宽带隙束缚层的搀杂使LED中载流子的注入效率和束缚和电流的扩展最大。
搀杂必需足够的高以使这些层的电阻达到最小。
但是，必需注意把在激活层周围搀杂引进的非辐射复合中心的阻碍减少到最小。
据报导，关于（AlxGa1-x）InPLED束缚层（或）的最正确搀杂，N型层为1×
1016～5×
1018cm-3，P型层为4×
1017～2×
1018cm-3，Te和Si已经成功被用作（AlxGa1-x）In0.5P的n型搀杂材料而典型的p型搀杂材料是Mg和Zn。
很多工作者把AlxGa1-x）InP激活层描述为无心搀杂。
但是据报导，激活区的最正确搀杂水平是轻搀杂n-或p-（＜1×
1017cm-3）。
因此，DH活动区的搀杂能够是N–p-P或N-n-P，或N–n–p-P，而在最后一种情形，p-n结位于激活区的内部。
双异质结AlGaInP发光二极管
图4.典型的双异质结（AlxGa1-x）In0.5P发光二极管能带结构示用意。
a.少数载流子注入
（AlxGa1-x）InP发光二极管通常工作在比较低的电流密度（＜150A/cm2）下，因此注入载流子密度（＜1×
1017cm-3）较低。
非同类异质结（即：
N-p或n-P）增强了注入到较窄带隙材料的少数载流子，因此增加了异质结构LED发光效率，对一个理想的N-p异质结，其中N层为宽带隙注入层，P层为窄带隙激活层的情形，电子/空穴注入比下式给出：
式中J是注入电子和空穴密度；
D，L，N别离是少子扩散系数，少子扩散长度和搀杂密度；
me,mh别离为宽带隙N-束缚层和窄带隙P–激活层电子（空穴）有效质量。
能隙差（ΔEg）由束缚层和激活层带隙能量之差给出：
ΔEg=Eg（束缚层）—Eg（活动层）（11）
关于DH器件，激活层的厚度通常小于少数载流子在激活层的扩散长度，在这种情形下，等式（6）中激活层的厚度用激活层少数载流子扩散长度代替。
一样可取得由一个宽带隙P-注入层和一个窄带隙n–激活层组成的P-n异质结空穴/电子注入比表达式。
在这种情形下，空穴/电子注入比由下式给出：
空穴/电子注入比也受含有能隙差[等式（11）]的指数项支配，等式（10）和等式（12）假定异质结是理想的，忽略了在异质结界面处的界面复合和导带和价带偏移尖峰（ΔEc,ΔEv）的阻碍。
这些等式说明：
能隙差关于注入比起着极为重要的作用，为了取得最正确注入效率，应使能隙差达到最大。
红色（630nm）和红-橙（615nm）（AlxGa1-x）InPLED的激活层和束缚-注入层（或）之间有一个足够大的能隙差（ΔEg＞）,从而保证一个理想的N-p（P-n）异质结所必需的电子（空穴）单边注入。
表1给出N-p型和（P-n）型（AlxGa1-x）InP异质结LED在590和570nm时电子和空穴的注入效率。
此处，激活层和x=1.0或注入层之间的能级差小于。
因此，电子和空穴的注入效率别离被概念为Je/（Je+Jh）,Jh/（Je+Jh）。
在（AlxGa1-x）InP应用中要对典型利用的N-p和P-n异质结的载流子注入效率进行计算，计算时因为无法取得关于少数载流子和多数载流子迁移率的数据，因此假定DH器件具有1μm厚的激活层。
一样地，假定电子和空穴的少子扩散长度别离为4和1，考虑到这些不定因素的存在，表1计算值只给出1位有效数字。
计算值说明：
关于短波长（570nm）黄绿LED，在一个和宽带隙注入层的N-p异质结中，能够实现电子的单边注入（注入效率=1）。
在（AlxGa1-x）InP系统中，空穴的迁移率比电子低5～50倍，因此，在一个P-n异质结中，观看到较低的空穴注入效率。
在较短波区，P-n异质结的空穴注入效率能够通过利用较宽带隙（）的注入层取得改善（这种注入层与x=0.7的注入层比较，增加了一个约25mev的能隙差）。
关于这些器件，为了取得最高的空穴注入效率，必需实现材料和结参数（例如：
迁移率，少子扩散长度和搀杂）的最正确化。
注意前面的计算和讨论都是对理想异质结而言，其他因素如界面复合，带的不持续偏移和在空间电荷区载流子的复合和产生都可能阻碍或支配决定器件设计和材料质量的性能。
表1（AlxGa1-x）InP异质结载流子注入效率的计算
（AlxGa1-x）InP
激活层
AlInP注入层
（AlGa）InP注入层
发射波长（nm）
N-p电子
注入效率
P-n空穴
590
1
570
b.载流子复合
在一个DH器件中，少数载流子在p-n结或异质结注入后，可能在LED激活层内产生辐射复合或非辐射复合，也可能逃到临近的束缚层，DH器件借助减少进入激活层载流子通过束缚层的复合量，增加注入载流子密度，达到提高效率的目的。
较高的注入载流子密度通常能够造成非辐射复合中心的饱和，从而增加辐射效率。
DH的这种效应是以激活层厚度小于载流子扩散长度为条件，这一条件和激活层搀杂类型和水平，注入载流子密度和激活层组份有关。
少数载流子扩散长度和少数载流子迁移率的平方根成比例。
因此能够明白，关于P型（AlxGa1-x）InP激活层（此处，电子被注入到激活层），因为电子的迁移率事实上超过空穴的迁移率，因此激活层较厚。
关于（AlxGa1-x）InP发光二极管，激活层厚度小于1～2μm，一样知足小于少数载流子扩散长度的条件。
事实上，较厚的激活区可造成由较低的注入载流子密度（增加了非辐射复合效应）和激活层内部光吸收而引发的LED效率的减少。
LED内量子效率由LED内部激活层辐射复合率和总辐射复合率的比率决定。
在激活层和束缚层内也和异质结界面一样，可能发生非辐射复合。
已经在（AlxGa1-x）InP合金中发觉了非辐射复合中心，并发觉它们使材料的辐射效率下降。
专门在（AlxGa1-x）InP中发觉深能级除和氧杂质有关外，还和P型杂质Zn，n型杂质Si和Se有关。
对掺Zn（AlxGa1-x）InPDH系统作Time-resolved光致发光（TRPL）测量说明，在激活层和上束缚层中，非辐射复合率随Zn浓度增加而增加。
另外，与n型杂质有关的深能级显示出类似于D-X中心的特性，这种特性也使LED的辐射减少。
这些资料说明在（AlxGa1-x）InPLED制造中，选择搀杂种类和操纵搀杂浓度和位置一样重要。
使氧污染达到最小是产生高效率（AlxGa1-x）InPLED的关键。
（AlxGa1-x）InP中的氧污染和两个具有热激活能（Er）～至ev（D2）和～至1.3eV（D3）的深电子陷阱有关。
图5给出具有x～激活层的（AlxGa1-x）InPLED氧浓度和陷阱D2，D3密度和发光效率之间的关系。
由图可见，氧浓度增加一个数量级，深能级陷阱密度增加近二个数量级。
这种增加可造成LED外量子效率的显著减少，因此，在（AlxGa1-x）InPDHLED中，氧的操纵是很重要的，外延生长时，即便含氧的污染很低，也会发生氧混入（AlxGa1-x）InP合金中。
结果，有各类各样技术被用来减少（AlxGa1-x）InP合金中的氧浓度，如在取向错误的衬底上生长，外延生长参数（如：
Ⅴ—Ⅲ比率，生长温度）的最正确化，OMVPE源纯度的改善。
总的非辐射复合寿命还和来自DH激活层—束缚层界面和束缚层内部的界面复合有关，关于较薄（小于μm）的无搀杂（AlxGa1-x）InPDH激活区，TRPL测试说明界面复合关于总的非辐射复合速度有着重要阻碍。
另外，TRPL研究说明关于掺Zn的异质界面，当掺Zn水平增加时，界面复合速度增加。
在DH
图5.在（AlxGa1-x）InP（X～0.4）发光二极管中氧浓度（NOX）和与其相关的D2和D3深能级浓度（ND2,ND3）之间的关系（左）。
在（AlxGa1-x）InP发光二极管中氧及与其相关的深能级浓度的增加使外量子效率大大减少（右）。
束缚层内的深能级，关于非辐射复合也有阻碍。
在束缚层中与氧有关的深能级密度增加，那么DH样品中非辐射复合速度也增加，这种行为被推测是由于隧道效应即激活层的载流子进入临近束缚层深能级的结果。
因此，这些资料说明，使DH异质界面和束缚层内部的非辐射复合达到最小，关于实现高效率（AlxGa1-x）InPLED是十分重要的。
C.载流子束缚
正如第Ⅱ部份第2.b节所讨论那样，器件激活层载流子束缚的结果使DHLED的辐射效率得以提高。
要取得如此的益处，激活层的厚度必需小于注入载流子的扩散长度。
为了使载流子被限制在激活层，注入载流子必需缺乏可漏出激活—束缚层界面处势垒的足够热能。
关于固定的注入流密度，激活层厚度（因此注入载流子密度）和电子及空穴的异质势垒高度直接阻碍载流子束缚。
（AlxGa1-x）InP激光二极管由于在DH和分立束缚异质结构（SCH）量子井（QW）器件中缺乏足够的电子束缚致使阈值电流的增加和性能及工作温度的下降。
但是，激光二极管和发光二极管不
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