GaAs基AlGaInPLED的研究和進展

0 引言

　　LED是第一個進入市場的商用化合物半導體，已經(jīng)有30多年的發(fā)展歷程。最早的LED是采用LPE(液相外延生長)技術(shù)做成的紅光GaAsP LED，但是這些LED的性能相對于目前來說比較低。1970年，在GaP和GaAsP中加入氮的方法提出后，提升了LED的性能并且制作出了除紅光以外的綠光、橘黃色光等LED器件。20世紀80年代初，利用液相淀積技術(shù)制成的AlGaAs LED具有較好的性能。20世紀90年代后，由于新型材料以及新的外延技術(shù)引入到紅光LED的研究中，利用有機金屬化學氣相淀積法(MOCVD)制作的AlGaInP LED大大改善了紅色和黃色光譜區(qū)的LED性能。近年來，LED技術(shù)的改進一直圍繞著尋找更好的發(fā)光材料，以及改善芯片結(jié)構(gòu)和封裝方法等方面。雖然LED在實驗室中已經(jīng)產(chǎn)生了很多年，而且在商業(yè)上的應用范圍也不斷擴大，但是LED的光輸出仍然低于傳統(tǒng)的光源。就技術(shù)而言，發(fā)展的瓶頸是外量子效率的提升。目前雖然內(nèi)量子效率已經(jīng)高達90％以上，但是經(jīng)過封裝后，外量子效率只有30％左右，有很大的技術(shù)提升空間。

1 AlGaInP紅光LED的外延材料

　　III-V族磷化物(AlxGa1-x)1-yInyP材料發(fā)光效率很高，從紅光(650 nm)到藍綠光(560 nm)，為直接帶隙發(fā)射。在此光譜內(nèi)(AlxGa1-x)1-yInyP已經(jīng)基本取代了內(nèi)量子效率很低的間接帶隙材料GaP和GaAsP。

1.1 能帶結(jié)構(gòu)

　　(AlxGa1-x)1-xInyP材料的Al組分值低，并且可以通過調(diào)節(jié)Al的摩爾組分x，使帶隙寬度和GaAs襯底有很好的晶格匹配。其能帶和晶格常數(shù)的關(guān)系如圖1所示。當y=0.48時，III-V族磷化物材料體系化合物(AlxGa1-x)1-yInyP與GaAs襯底有很好的晶格匹配?，F(xiàn)在商業(yè)用紅光LED大多是在GaAs襯底上通過MOCVD和MBE生長(AlxGa1-x)0.5In0.5P。近15年來，利用MOCVD的方法生產(chǎn)的AlGaInP LED外延片使得LED在性能上有了很大的改善。

1.2 AlGaInP LED的外延層結(jié)構(gòu)

　　和早期的GaAsP LED相比，大功率AlGaInP LED的外延層結(jié)構(gòu)更加復雜和精確。通常，完整的外延片結(jié)構(gòu)包括生長一個頂部的窗口層、限制層，還可以選擇在GaAs襯底上生長布拉格反射層以反射射向GaAs襯底的光。目前常用的外延片結(jié)構(gòu)如圖2所示?；钚詫拥脑O(shè)計多采用雙異質(zhì)結(jié)或者是多量子阱結(jié)構(gòu)，可以更好地限制電流的分布。

2 外量子效率及提高外量子效率的芯片設(shè)計

　　從LED起初的幾十年里，外量子效率一直是人們研究和探討的問題。目前紅光LED采用的GaAs襯底盡管與AlGaInP有很好的晶格匹配，但是它對紅黃光的吸收嚴重，并且由于AlGaInP-GaAs系半導體折射系數(shù)n2=3～3.5，光從內(nèi)部射人折射率為n1的介質(zhì)時臨界角為

　　對于平滑的表面，光線的逃逸角θ<θc。，由于半導體材料的自發(fā)性輻射是朝各個方向的，只有不超過4％的光可以從半導體內(nèi)部射出。不能出射的光在LED結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)換為熱能，提高了結(jié)溫，使晶格震動加劇，影響了內(nèi)量子效率，也使紅光LED的壽命大打折扣，所以將產(chǎn)生的光有效地引出LED是當前GaAs基AlGaInP紅光LED研究的主要方向。幾乎所有大功率AlGaInP LED在設(shè)計時都要考慮消除GaAs襯底的吸收作用帶來的負面影響。

　　要減少因材料本身的吸收以及電流分布不當而產(chǎn)生的損失，可以采取以下幾種方法：(1)利用厚的窗口層或是電流分布層使電流能均勻分布并且增大表面透過率；(2)用電流局限技術(shù)使電流不在電接觸區(qū)域下通過；(3)用透明、不吸收光材料作襯底或者在活性層下設(shè)置反射鏡將光反射至半導體材料的表面。以下介紹的幾種典型結(jié)構(gòu)就是從這幾個方面出發(fā)來提高外量子效率的。

2.1 分布布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)是生長有厚的窗口層同時還在活性層和吸收襯底之間周期性交替生長上兩種折射率不同的材料，形成布拉格反射層。DBR多采用AlGaAS_AlGaAs或是AlInGaP-AlInP，它在有源層和襯底之間，能夠?qū)⑸湎蛞r底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。于曉東等人制備了采用Al0.6Ga0.4As／AlAs復合DBR的LED器件，未封裝輸出光功率為2.3 mW，外量子效率為5.6％，發(fā)光效率可達121 m／W，比常規(guī)DBR器件提高了35％。

　　分布布拉格反射層結(jié)構(gòu)提出的較早，可以直接利用MOCVD進行生長，無須再次加工處理，有很好的成本優(yōu)勢。國內(nèi)的外延片結(jié)構(gòu)很多還是加DBR結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)應用于商業(yè)生產(chǎn)。但是DBR只對垂直入射和小角度入射的光提供高反射率，而對角度較大的入射光的反射率很小，因此大角度入射的光會有大部分將透過DBR被GaAs襯底吸收。

2.2透明襯底結(jié)構(gòu)

　　為了減少GaAs襯底對LED所發(fā)出光線的吸收，K.Steubel等人利用直接鍵合的方法把AlGaInP LED和透明GaP基板接合，在GaAs襯底上生長出基本結(jié)構(gòu)后，用選擇性化學腐蝕方法去除n型GaAs襯底，將n型GaP襯底與已外露的n型下限制層連在一起，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　這種結(jié)構(gòu)的特點是電流擴展很好、無襯底吸收、正面和側(cè)面出光大為增加、各表面出光均勻、芯片的出光效率達到超高水平。GaP不僅熱擴散系數(shù)比GaAs大，而且其本身對于紅、黃光是透明的，使得AlGaInP LED可以六面出光，大幅增加了LED外量子效率。

2.3晶粒外型的改變

　　一般LED的晶粒外觀大多是立方體的，立方體的截面互相平行，光子只能在內(nèi)部全反射，加劇了有源層及自由載流子對光的吸收，有很大一部分的光子轉(zhuǎn)換成熱的形式消耗掉。M.R.Krames等人利用特殊的切片刀具，將AlGaInP紅光LED制成倒金字(TIP)形狀，如圖4所示。

　　這種幾何外形可以使LED內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面反射到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時使那些傳播到上表面大于臨界角的光可能從側(cè)面出射。這兩個過程能同時減小光在內(nèi)部傳播的路程，光可很有效地被引出來。這種TIP芯片鍵合到透明基片上，可以實現(xiàn)50％以上的外量子效率，發(fā)光效率高達1 001 m／W。

　　TIP LED結(jié)構(gòu)的制作方法只適用在易于加工的四元紅光LED上，對于使用硬度極高的GaN系列LED而言有很大的難度。

2.4表面粗糙化結(jié)構(gòu)

　　在所有提高外量子效率的方法中，表面粗化法是一種比較簡單的方法，這種想法的出發(fā)點在于：如果發(fā)出的光在內(nèi)部沒有吸收的話，它會在里面反復反射，直到在界面處以小于臨界角的角度射出。如果將組件的內(nèi)部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在組件內(nèi)部的全反射，光子出射的概率大大增加。這種結(jié)構(gòu)最早由I.Schnitzer等人提出，他用自然平版印刷術(shù)來腐蝕形成粗糙的LED表面，結(jié)構(gòu)如圖5所示。此種結(jié)構(gòu)的LED外部量子效率可以達到30％。

　　粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結(jié)構(gòu)分為兩種形式，一種是在組件內(nèi)設(shè)置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設(shè)置反射層。使用波長為405 nm的紫外組件，能得到43％外部量子效率。

　　表面粗化法是將介面按一定的規(guī)律打毛可以使部分全反射光線以散射光的形式出射，可以有效地抑制半導體材料與空氣折射率相差過大而造成的全反射光較多的問題，從而提高了出光率。但該法是直接將LED的上表面粗化，對有源層及透明電極會造成一定的損傷，制作也較為困難，所以多采用直接刻蝕成型。

2.5小反射鏡結(jié)構(gòu)

　　該方法是將LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)做上很多可以反光的斜面，增加光射出的機會，從而增加光輸出，提高發(fā)光效率。Osram公司的W.Reiner等人利用此方法，在多斜邊結(jié)構(gòu)的斜面上鍍上金屬做成的小反射鏡(BMR)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其有源層采用了多量子阱結(jié)構(gòu)，通過干法刻蝕形成反射鏡結(jié)構(gòu)。在波長650 nm及電流為20 mA時外量子效率可達50％，而發(fā)光效率可達到1 001 m／W，并且在595～620 nm的波長內(nèi)外量子效率和發(fā)光效率都很高。

　　這種有多斜邊結(jié)構(gòu)的小反射鏡結(jié)構(gòu)的反射率要高于布拉格反射層結(jié)構(gòu)。但是由于這種結(jié)構(gòu)的凸部是利用光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)形成的，技術(shù)復雜，成本也高，不適合高功率照明的要求，離最終的產(chǎn)業(yè)化距離尚遠。

2.6晶圓鍵合技術(shù)

　　C.P.Wei等人利用晶圓鍵合技術(shù)把AlGaInPLED和Cu基板結(jié)合，結(jié)構(gòu)如圖7所示。Cu基板是具有高熱擴散系數(shù)的物質(zhì)，對于紅黃光也有很高的反射率。一般在GaAs襯底上的LED電流只能達到100 mA，發(fā)光強度為400 mcd，但是在Cu基板上，可以在800 mA時達到發(fā)光強度1 230 mcd，可以滿足大功率照明要求。

　　采用鍵合技術(shù)其效果可以說與透明襯底法具有異曲同工之妙。金屬鍵合取代了原來的半導體一半導體鍵合。鍵合的金屬充當了一個反射襯底。適合金屬鍵合的襯底應該是熱擴散系數(shù)匹配并且熱阻抗要小，GaAs、Ge和Si都是好的選擇。

3 結(jié)論

　　一直以來，業(yè)界人士一直在不斷探求改善和提高紅光LED發(fā)光效率的方法。以上這些結(jié)構(gòu)盡管能對外量子效率的提高做出一些貢獻，但是局限AlGaInP LED外量子效率的最主要問題還是沒有解決，目前LED面臨的挑戰(zhàn)依然是高的折射系數(shù)和無法避免的光損失。經(jīng)過一些復雜的工藝，如晶片的金屬鍵合、粗糙表面結(jié)構(gòu)或是薄膜處理可以達到很高的外量子效率，有效地促進AlGaInP LED的應用，但是這些方法也都有自己的局限性，離最終的產(chǎn)業(yè)化也有一定的距離。提高LED發(fā)光效率的方法還有很多，如將一維光子晶體放在器件的底部做成諧振腔LED或是加大器件的驅(qū)動使其發(fā)生受激輻射，也就是所謂的超冷光輻射。這些方法同樣可以增強AlGaInP LED的發(fā)光效率，但是相對采用透明基底以及采用合適的反射器等方法相比，這些方法的效果并不理想。隨著外延技術(shù)、基板材料、晶片焊接技術(shù)、半導體熱沉等技術(shù)的改進，AlGaInPLED發(fā)光效率會不斷提高，紅光LED將得到更大范圍的應用。