AlGaInPLEDs.docx

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AlGaInPLEDs

AlGaInP-LEDs

李永富

LED（发光二极管）、PD（二极管探测器）最基本的结构相同，都是由PN结组成，为提高器件性能，二者往往都会引入双异质结构及有源层，形成PIN型结构，LED电注入载流子的自发辐射复合以及二极管探测器光生载流子的产生都在有源层内进行，P及N层材料起到窗口作用，有源层与异质材料层形成的势垒又起到对载流子的束缚作用，有利于载流子的辐射复合（对于LED）以及光生载流子的收集与信号输出（对于PD）。

但是，二极管探测器属于零偏压或反向偏压、小信号工作器件，器件结构相对简单，而LED，特别是高亮度LED，属于高注入大电流工作器件，因此LED对于低阻电极接触以及电极形状的设计要求更高，有时需要引入一些特殊的接触层，如currentspreadinglayer及currentblockinglayer。

另外，对于高亮度LED，光的输出是影响其发光效率的最重要因素之一，需要采用一些特殊结构以提高其光输出效率，如高反射DBRs层（减少衬底的吸收）、透明衬底、共振腔结构、输出面加工等等，使得LED的结构更加复杂，因此，LED器件的结构设计是一件极富挑战性但很有意义的工作。

目前，在560nm（黄绿光）~650nm（红光）波段，（AlxGa1-x）yIn1-yP体系材料是唯一一种技术上可行的直接禁带半导体材料，因此在该波段内可望获得较高的内部效率，很适用于发光器件的制备。

AlGaInP属于闪锌矿结构，其能带包括单一的导带（最低点在Γ-点，另外两个谷值在X-，L-点），以及三个价带，价带的Γ-点具有简并的重空穴带和轻空穴带。

在Al组分较低时，材料属于直接禁带半导体，随着Al组分的增加，X-点逐渐成为导带最低点，材料变为间接禁带半导体。

室温下，禁带宽度随组分的变化可由下式表示：

（1）

（2）

由上式可知，在Al组分为0.58时，X-点成为导带最低点，材料变为间接禁带半导体材料，此时对应材料禁带宽度2.25eV，波长550nm。

导带谷值的变化，使得导带电子发生由Γ-谷向X-谷的转移，导致器件自发辐射复合效率的急剧下降，发光效率相应降低，这也限定了AlGaInPLED的波长范围。

1．AlGaInPLED的内部电光效率

器件的内部电光效率由器件辐射复合与损耗过程确定，一般来说，损耗包括非辐射复合及漏电。

自发辐射复合涉及电子和空穴，可表示为：

（3）

B为辐射复合常数。

非辐射复合过程可由Shockley-Read-Hall表示：

（4）

τe、τh分别为电子和空穴的俘获寿命。

在低掺杂浓度下，电子空穴数目基本相当，n≈p，由（3）（4）式可知，Rsp随载流子注入数目的平方变化，而RSRH与载流子数成线性关系。

在低注入条件下，即通过器件的电流较小的情况下，非辐射复合占优势，器件光功率与工作电流的平方成正比；在高注入条件下，辐射复合占优势，器件光功率与工作电流成线性关系。

Al组分较低时（发光波长<600nm），漏电损耗会大于非辐射复合，随着Al组分的增加，电子由Γ-谷转移到X-谷，产生一个额外的非辐射复合通道，辐射复合效率会急剧下降至零点，即在AlGaInP-LED发红光时，器件的内部量子效率是由非辐射复合过程决定的，这个与器件材料的质量有很大的关系。

2.光的输出

高亮度AlGaInP-LED面临的最重要的问题是光由有源层的输出。

所有AlGaInP-GaAs体系半导体材料的折射率均在n2≈3~3.5之间，如果LED的输出界面为平面，光直接由LED内部输出至空气中，根据临界角公式

，θc介于16.6º~19.5º之间，这样只有极少部分的光会输出。

影响光输出的因素还有几个，

（1）衬底的吸收，对于GaAs衬底的AlGaInP-LED来说，衬底对于该波段的光不是透明的，这样只有从LED顶部逃逸锥（escapecone）内发出的光会输出体外而对输出效率有贡献，为减小衬底吸收，一般会在AlGaInP-LED衬底上中引入AlGaAs/AlAs体系的DBRs反射镜，并通过控制AlGaAs/AlAs的对数达到控制反射率的目的；

（2）电极遮盖，LED的上电极会阻挡一部分光的输出，因此对于电极形状的优化设计非常重要，目前透明电极也开始引入LED器件的制备中；（3）上电极周边的currentcrowing现象，这会引起器件局部电流密度过大，影响器件的发光效率，为克服电极的遮盖及currentcrowing，有时会在有源层上部生长一层透明窗口材料，这样可以增大光由侧面的输出，也可以在一定程度上提高currentspreading，或者引入currentspreadinglayer及currentblockinglayer，如图所示。

另外一个需要考虑的问题是，逃逸锥外的光会被DBRs反射而被有源层重新吸收后再次辐射，进入逃逸锥而输出，称为光子回收效应（photon-recyclingeffect），光子回收效应与器件的内部量子效率

，有源层厚度及吸收系数都有很大的关系，一般来说，红光AlGaInP-LED的内部量子效率很高，可以采用较厚的有源层，而黄光AlGaInP-LED的内部量子效率较低，采用较薄的有源层为宜。

还可以通过重新设计LED芯片的形状来增大光的输出，例如将芯片加工成半球状、韦氏球面、抛物球面、去角锥等形状，这样的确会获得很大的输出效率，但是工艺过于复杂，得不偿失。

3.器件表面加工

目前，增大光输出效率的最简单的方法是对芯片进行表面加工，如将输出的表面通过刻蚀形成去角四面体，这样可以增加有效输出面，同时，可以引入框架状电极接触以提高currentspreading。

另外，还可以通过在表面引入衍射结构，即尺寸与发射波长相当的不规则图形单元（表面粗化），这样发射的光很容易被均匀的散射，从而增大输出效率。

4.透明衬底LEDs

由于GaP材料在AlGaInP-LED的整个发射波段内都是透明的，因此可以考虑采用GaP衬底来增大光输出效率。

通过waferbonding技术将AlGaInP与GaP互连，表面洁净的晶片相互接触，在其轴向施加一定压力，并加热至750℃以上，两种材料会通过共价键形成异质界面，该界面是透明的。

但是要实现整个晶片上的低阻接触，还需要许多复杂的工艺过程。

目前，Hewlett-Packard公司已经实现了这种透明衬底AlGaInPLED，且已进行常规生产，并命名为TS-LEDs。

如果在LED的上表面引入GaPcurrentspreading层，并采用GaP透明衬底，TS-LEDs可以获得很高的光输出效率，如在630nm，可达32％。

另外，如果器件表面进行加工可望获得更高的光输出效率，如，采用去角金字塔结构的TS-LEDs在610nm及598nm波长的发光效率可达102lm/W及68lm/W，在650nm的峰值外量子效率可达55％。

5．晶片熔接式薄膜LEDs

该种LEDs并不与GaP透明衬底直接互连，但都先在GaAs衬底上制备AlGaInP结构，然后去除GaAs衬底，再将LEDs转移到其他基底上材料。

与TS-LEDs相比，薄膜LEDs一般都是上表面发光的。

薄膜LEDs制备基本工艺流程如图所示，首先通过常规的外延生长制备好AlGaInP-LED结构，然后在LED及基底材料上分别沉积Au及AuSn层，由于GaAs材料具有良好的导电能力且与AlGaInP材料具有相近的热膨胀系数，可以用作基底材料。

接下来将AlGaInP-LED与基底密接并加热至350℃，在此温度下，两种金属都会融化，Au会溶解在AuSn合金中而增加合金中Au/Sn比例（Sn的重量比由30％下降至20％），然后降温至室温。

完成互连后，采用选择性湿法腐蚀去除AlGaInP-LEDs结构中的GaAs衬底层，最后采用常规工艺制备P、N电极接触，完成LED器件制备。

基底与有源层之间的金属层可用作P电极接触，亦可用作反射层以提高器件的光输出效率，如果对器件的输出面进行粗化处理，可进一步提高光输出效率。

薄膜LEDs的另一个优势是在对LED及基底材料互连之前，可以对LED的表面进行适当的加工，通过刻蚀引入锥、棱镜、球面等微结构，然后再与基底互连，微结构的引入可以极大的提高光输出效率，而电流也被限制在微结构之内可优化发光效率。

6．共振腔LEDs（RCLEDs）

在该种LEDs中，需要引入共振腔，使得更多的有源层发出的光能够进入逃逸锥，谐振腔可以采用DBR来实现，其结构如图所示。

在该类LEDs的设计时需要注意：

1）构成DBR的材料的折射率比要足够大以减小光在DBRmirror中的穿透深度；2）有源层组分调整时，要根据谐振腔的谐振波长向短波方向稍做偏移，这可以补偿器件工作时由于温度升高带来的波长“红移”；3）尽量增加谐振腔中有源层量子阱的数目。

7．LED制备工艺及相关参数

在完成材料结构优化设计、材料的外延生长及LED器件结构优化设计之后，接下来就是器件的工艺制备了，工艺过程的控制对于器件性能至关重要。

LED芯片的工艺步骤与探测器芯片工艺步骤基本相同，均包括晶片清洗、图形光刻、介质层沉积、台面刻蚀、电极生长剥离、电极快速热退火合金化等一系列环节。

对于LED来说，需要在大注入条件下工作，如果器件存在较大的串联电阻，会影响器件的开启电压，消耗一部分电能，引起器件结温升高，影响器件的发光效率及峰值波长，因此LED对于电极接触的要求相当严格，AlGaInP-LED的P电极低阻接触是一个难点，P电极金属体系及快速退火条件的选择非常重要，目前，该类LED的P电极一般选用AuZn/Au金属体系。

对于台面型LED，刻蚀条件的选择也是一个需要关注的问题，刻蚀损伤会造成器件漏电过大，升高器件的阈值电流，降低器件效率，因此低损伤刻蚀条件的选择非常重要。

LED的基本结构为pn结。

它具备pn结结型器件的电学特性：

I-V特性、C-V特性和光学特性：

光谱特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性等。

1）LED电学特性

（1）I-V特性

I-V特性是表征LED芯片pn结制备性能的主要参数。

LED的I-V特性具有非线性、整流性质：

单向导电性。

LED典型I-V特性曲线

图示为一个LED器件的典型I-V特性曲线，与二极管器件的典型I-V特性曲线基本相同，可以分为：

正向死区：

0a段，a点对应于器件的开启电压，当V＜Va，外加电场需要克服pn结的势垒电场，此时器件的动态电阻R很大，LED不能正常工作。

对于不同种类的LED，开启电压不同，例如GaAsLED开启电压的典型值为1V，红光GaAsPLED为1.2V，GaPLED为1.8V，GaNLED为2.5V。

正向工作区：

电流IF与外加电压呈指数关系：

其中，IS为反向饱和电流，K为玻尔兹曼常数。

反向死区：

V＜0时pn结加反偏压，在反向偏压下，器件的有源层已经基本耗尽，耗尽区宽度变化不会太大，该段内器件的电流变化很小，称为反向饱和电流。

反向击穿区：

当反向偏压一直增加使V＜-VR时，则出现IR突然增加而出现器件击穿的现象。

对于不同种类化合物材料制备的LED，反向击穿电压VR也不同。

（2）C-V特性

LED典型C-V特性曲线

LED器件属于pn结器件，器件的结电容也是其重要电学特性之一，在反向偏压下，器件有源层耗尽区宽度变化不大，因此其结电容变化不大，而在正向偏压下，耗尽区减小，电容会逐渐增大。

另外，LED的芯片面积不同，如9×9mil（250×250um），10×10mil，11×11mil（280×280um），12×12mil（300×300um）等规格，故其pn结面积大小不一，使其结电容也不相同。

器件的结电容与器件的响应时间有密切关系。

C-V特性呈二次函数关系如图所示。

（3）响应时间

LED的时间响应特性

在矩形驱动脉冲下，LED的时间响应特性如图所示。

①响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中tr、tf，其中，tr为LED的点亮时间，由10%的正常亮度上升至90%的正常亮度所需时间，tf为LED的熄灭时间，由90%的正常亮度下降至10%的正常亮度所需时间。

图中t0值很小，可忽略。

②响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗（电路系统的RC常数），在LED器件的结电容较大时，响应时间主要受LED器件结电容影响，且如果器件电极接触性能较差以至于串联电阻较大时，也会影响器件的响应时间特性。

不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间＜10-9S，GaP为10-7S。

因此它们可用在10~100MHZ高频系统。

2）LED光学特性

发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

（1）发光法向光强及其角分布Iθ

发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能，与LED的封装形式有很大的关系。

LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：

位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。

当偏离正法向不同角度θ，光强也随之变化。

发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。

它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）。

图示为指向性不同的LED的发光强度的角分布，如果想获得高指向性的角分布，需要在封装时：

LED管芯位置离模粒头远些；使用圆锥状（子弹头）的模粒头；封装的环氧树脂中勿加散射剂。

当前几种常用封装的圆形LED的散射角：

5°、10°、30°、45°。

（2）发光峰值波长及其光谱分布

LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。

当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

下图是由不同化合物半导体LED光谱响应曲线。

峰值波长：

对于不同材料制成的LED，对应于不同的最强相对光强度（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示，与材料有源层的禁带宽度相对应。

谱线宽度：

在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。

半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽一般都小于40nm。

主波长：

有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。

为此描述LED色度特性而引入主波长。

主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。

单色性越好，则λp即为主波长。

例如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，且会随着LED长期工作，结温的升高而主波长逐渐向长波“红移”。

（3）光通量

光通量F是表征LED总的光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。

F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。

随着电流增加，LED光通量随之增大。

可见光LED的光通量单位为流明（lm）。

LED向外辐射的功率――光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

目前单色LED的光通量最大约1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。

（4）发光效率和视觉灵敏度

①LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。

前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。

LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。

②视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。

人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680lm/w。

若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系为

，

③发光效率――量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=

若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W

若光子能量hc=ev,则η≈ηP，则总光通F=（F/P）P=KηPW式中K=F/P

④流明效率：

LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP

它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。

品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。

事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。

由于LED材料折射率很高n1≈3.6。

当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，会被反射回体内，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

为了提高外部出光效率ηe可采取以下措施：

用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；把芯片晶体表面加工成半球形；用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。

（5）发光亮度

亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。

其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2或Nit。

若光源表面是理想漫反射面，亮度BO与方向无关，为常数。

晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。

LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO也近似增大。

另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc（复合效率）下降，BO减小。

当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

（6）寿命

老化：

LED发光亮度随着长时间的工作而出现光强或光亮度衰减现象称为器件的老化。

器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为

，Bt为LED工作t时间后的亮度，BO为初始亮度。

通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极管的寿命。

测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。

测量方法：

给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时后，先后测得BO，Bt=1000~10000，代入公式求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。

长期以来一般认为LED的寿命为106h，这是指单个LED在IF=20mA下的寿命。

随着功率型LED开发应用，LED的工作电流大大增大，国外学者认为应该以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。

如果取LED的光衰减为原来35%，则LED的寿命＞6000h。

3）热学特性

LED的光学参数与pn结的结温有很大的关系。

一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20mA长时间连续点亮LED温升不明显。

若环境温度较高，LED的主波长或λp就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

LED的主波长随温度关系可表示为λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。

这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。