高效InGaN基LED

尽管氮化镓基III-V族半导体有一些严重缺陷，如高位错密度和强极化效应，但其已成为一个充满希望的光源材料。最近，GaN基发光二极管（LED）正在迅速扩大应用领域，特别是需要超高亮度的领域，如大尺寸屏幕的背光单元和取代传统荧光灯和白炽灯泡的固态照明系统。因此，为了满足先进应用的要求，实现高效率变得非常重要。要制作一个高效率LED，应仔细优化LED的内部和外部结构。

1、内部结构

LED的内部结构是和内量子效率（IQE）、光强与注入电流（L-I）的线性度、正向电压（ Vf ）和静电（ ESD ）密切相关的。

（1）内量子效率（IQE）：众所周知，InGaN基LED的IQE主要受位错密度、多量子阱中的压电场和量子阱横向形状等的影响。许多研究小组正在研究非极性和极性GaN衬底，通过降低位错和极化效应来最大限度增加IQE。量子阱横向形状可以通过量子下的应变弛豫层和两个温度生长中的热退火等生长条件加以控制。

（2）L-I线性度：L-I线性度是大电流工作条件下LED的一个重要问题。为了改善L-I线性度，大电流工作条件下载流子的溢流和缺陷导致的非辐射复合应尽量减少。载流子的溢流可通过具有较高能带的AlGaN电子和空穴阻挡层降低。量子阱中的势垒波动形成的载流子定位效应有助于增加载流子限位和减少缺陷效应。

（3）正向电压（Vf）：虽然正向电压主要是由材料的能带决定，但是其也受到量子阱中载流子的输运垒及N型和P型GaN薄层电阻的影响。因此，选定量子阱中量子势垒的参杂可有效地降低Vf。然而，为了以降低N型和P型GaN的薄层电阻而过高地参杂硅和镁，将降低晶体质量。过高的硅掺杂（1019cm-3的中间范围）将在N型GaN层中导致很高的压应力，并形成表面裂缝。另外，使用镁参杂超过1020cm-3会产生反向金字塔形反转畴界（IDB）缺陷。因此，调制掺杂和改善载流子迁移率可能是降低GaN晶体薄层电阻并得到良好晶体质量的解决方案。

（4）静电（ESD）：氮化镓LED由于其位错密度高（108~1010 cm-2）和采用横向器件结构的形式，通常其抗ESD能力非常微弱。然而，具有优化了的内部结构的LED却显示出稳定的ESD性能，在人体模式下可抗几千的反向电伏。据了解，N型和P型GaN中的场扩散和GaN晶体质量是抗静电的关键因素。N和P型GaN层中的调制掺杂和超晶格结构有利于电流和场扩散。

2、外部结构

LED优化的外部结构可以提高其性能，如出光效率（LEE）、热效应、电流扩散和ESD 。

（1）出光效率（LEE）：提高出光效率的技术可以分为三类，即芯片成型、表面纹理（粗化）和图案衬底（PS） 。芯片成型技术包括衬底成型用以改变光线方向和外延层成型用于形成小角度角反射以引导平面光到表面。表面纹理（粗化）有多种方法，如利用低温生长在表面形成高密度的V 型坑、使用自掩膜形成亚微米突出 、光子晶体或自掩膜干法和湿法腐蚀。另外，PS也是一种制造高效LED很有前途的技术。PS的LEE取决于图形的形状、高度、大小和整体布局。除了出光效率，PS还可以通过侧向覆盖生长效果减少位错密度。

（2）热效应：LED的热管理是高功率LED的一个敏感问题。蓝宝石衬底的LED ，芯片倒装结构和背面金属（BSM ）是常用用来改善散热问题。为了进行更有效的散热，具有高导热支撑层的垂直结构LED是一个很好的解决办法。

（3）电流扩散：横向结构器件中的电流拥挤现象严重影响器件的可靠性和IQE。在横向器件结构中，光刻图形的设计和透明电极金属（ TM ）的薄层电阻是均匀电流扩散的关键因素。TM的薄层电阻应与N型GaN 层平衡。

（4）静电（ESD）：如同在内部结构部分解释的，ESD是实现LED可靠运作的一个重要参数。一个保护性二极管是通常与主LED连接，当有反向峰值时其呈现开启状态。硅的齐纳二极管通常用于这一功能，另外还可以通过将GaN反向LED与主LED集成来实现。