GaAs基AlGaInPLED的研究和进展

0 引言

　　LED是第一个进入市场的商用化合物半导体，已经有30多年的发展历程。最早的LED是采用LPE(液相外延生长)技术做成的红光GaAsP LED，但是这些LED的性能相对于目前来说比较低。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红光以外的绿光、橘黄色光等LED器件。20世纪80年代初，利用液相淀积技术制成的AlGaAs LED具有较好的性能。20世纪90年代后，由于新型材料以及新的外延技术引入到红光LED的研究中，利用有机金属化学气相淀积法(MOCVD)制作的AlGaInP LED大大改善了红色和黄色光谱区的LED性能。近年来，LED技术的改进一直围绕着寻找更好的发光材料，以及改善芯片结构和封装方法等方面。虽然LED在实验室中已经产生了很多年，而且在商业上的应用范围也不断扩大，但是LED的光输出仍然低于传统的光源。就技术而言，发展的瓶颈是外量子效率的提升。目前虽然内量子效率已经高达90％以上，但是经过封装后，外量子效率只有30％左右，有很大的技术提升空间。

1 AlGaInP红光LED的外延材料

　　III-V族磷化物(AlxGa1-x)1-yInyP材料发光效率很高，从红光(650 nm)到蓝绿光(560 nm)，为直接带隙发射。在此光谱内(AlxGa1-x)1-yInyP已经基本取代了内量子效率很低的间接带隙材料GaP和GaAsP。

1.1 能带结构

　　(AlxGa1-x)1-xInyP材料的Al组分值低，并且可以通过调节Al的摩尔组分x，使带隙宽度和GaAs衬底有很好的晶格匹配。其能带和晶格常数的关系如图1所示。当y=0.48时，III-V族磷化物材料体系化合物(AlxGa1-x)1-yInyP与GaAs衬底有很好的晶格匹配。现在商业用红光LED大多是在GaAs衬底上通过MOCVD和MBE生长(AlxGa1-x)0.5In0.5P。近15年来，利用MOCVD的方法生产的AlGaInP LED外延片使得LED在性能上有了很大的改善。

1.2 AlGaInP LED的外延层结构

　　和早期的GaAsP LED相比，大功率AlGaInP LED的外延层结构更加复杂和精确。通常，完整的外延片结构包括生长一个顶部的窗口层、限制层，还可以选择在GaAs衬底上生长布拉格反射层以反射射向GaAs衬底的光。目前常用的外延片结构如图2所示。活性层的设计多采用双异质结或者是多量子阱结构，可以更好地限制电流的分布。

2 外量子效率及提高外量子效率的芯片设计

　　从LED起初的几十年里，外量子效率一直是人们研究和探讨的问题。目前红光LED采用的GaAs衬底尽管与AlGaInP有很好的晶格匹配，但是它对红黄光的吸收严重，并且由于AlGaInP-GaAs系半导体折射系数n2=3～3.5，光从内部射人折射率为n1的介质时临界角为

　　对于平滑的表面，光线的逃逸角θ<θc。，由于半导体材料的自发性辐射是朝各个方向的，只有不超过4％的光可以从半导体内部射出。不能出射的光在LED结区转换为热能，提高了结温，使晶格震动加剧，影响了内量子效率，也使红光LED的寿命大打折扣，所以将产生的光有效地引出LED是当前GaAs基AlGaInP红光LED研究的主要方向。几乎所有大功率AlGaInP LED在设计时都要考虑消除GaAs衬底的吸收作用带来的负面影响。

　　要减少因材料本身的吸收以及电流分布不当而产生的损失，可以采取以下几种方法：(1)利用厚的窗口层或是电流分布层使电流能均匀分布并且增大表面透过率；(2)用电流局限技术使电流不在电接触区域下通过；(3)用透明、不吸收光材料作衬底或者在活性层下设置反射镜将光反射至半导体材料的表面。以下介绍的几种典型结构就是从这几个方面出发来提高外量子效率的。

2.1 分布布拉格反射层(DBR)结构

　　这种结构是生长有厚的窗口层同时还在活性层和吸收衬底之间周期性交替生长上两种折射率不同的材料，形成布拉格反射层。DBR多采用AlGaAS_AlGaAs或是AlInGaP-AlInP，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。于晓东等人制备了采用Al0.6Ga0.4As／AlAs复合DBR的LED器件，未封装输出光功率为2.3 mW，外量子效率为5.6％，发光效率可达121 m／W，比常规DBR器件提高了35％。

　　分布布拉格反射层结构提出的较早，可以直接利用MOCVD进行生长，无须再次加工处理，有很好的成本优势。国内的外延片结构很多还是加DBR结构，这种结构目前已经应用于商业生产。但是DBR只对垂直入射和小角度入射的光提供高反射率，而对角度较大的入射光的反射率很小，因此大角度入射的光会有大部分将透过DBR被GaAs衬底吸收。

2.2透明衬底结构

　　为了减少GaAs衬底对LED所发出光线的吸收，K.Steubel等人利用直接键合的方法把AlGaInP LED和透明GaP基板接合，在GaAs衬底上生长出基本结构后，用选择性化学腐蚀方法去除n型GaAs衬底，将n型GaP衬底与已外露的n型下限制层连在一起，结构如图3所示。

　　这种结构的特点是电流扩展很好、无衬底吸收、正面和侧面出光大为增加、各表面出光均匀、芯片的出光效率达到超高水平。GaP不仅热扩散系数比GaAs大，而且其本身对于红、黄光是透明的，使得AlGaInP LED可以六面出光，大幅增加了LED外量子效率。

2.3晶粒外型的改变

　　一般LED的晶粒外观大多是立方体的，立方体的截面互相平行，光子只能在内部全反射，加剧了有源层及自由载流子对光的吸收，有很大一部分的光子转换成热的形式消耗掉。M.R.Krames等人利用特殊的切片刀具，将AlGaInP红光LED制成倒金字(TIP)形状，如图4所示。

　　这种几何外形可以使LED内部反射的光从侧壁的内表面反射到上表面，而以小于临界角的角度出射。同时使那些传播到上表面大于临界角的光可能从侧面出射。这两个过程能同时减小光在内部传播的路程，光可很有效地被引出来。这种TIP芯片键合到透明基片上，可以实现50％以上的外量子效率，发光效率高达1 001 m／W。

　　TIP LED结构的制作方法只适用在易于加工的四元红光LED上，对于使用硬度极高的GaN系列LED而言有很大的难度。

2.4表面粗糙化结构

　　在所有提高外量子效率的方法中，表面粗化法是一种比较简单的方法，这种想法的出发点在于：如果发出的光在内部没有吸收的话，它会在里面反复反射，直到在界面处以小于临界角的角度射出。如果将组件的内部及外部的几何形状粗化，破坏光线在组件内部的全反射，光子出射的概率大大增加。这种结构最早由I.Schnitzer等人提出，他用自然平版印刷术来腐蚀形成粗糙的LED表面，结构如图5所示。此种结构的LED外部量子效率可以达到30％。

　　粗化方法基本上是在组件的几何形状上形成规则的凹凸形状，而这种规则分布的结构分为两种形式，一种是在组件内设置凹凸形状，另一种方式是在组件上方制作规则的凹凸形状，并在组件背面设置反射层。使用波长为405 nm的紫外组件，能得到43％外部量子效率。

　　表面粗化法是将介面按一定的规律打毛可以使部分全反射光线以散射光的形式出射，可以有效地抑制半导体材料与空气折射率相差过大而造成的全反射光较多的问题，从而提高了出光率。但该法是直接将LED的上表面粗化，对有源层及透明电极会造成一定的损伤，制作也较为困难，所以多采用直接刻蚀成型。

2.5小反射镜结构

　　该方法是将LED内部结构做上很多可以反光的斜面，增加光射出的机会，从而增加光输出，提高发光效率。Osram公司的W.Reiner等人利用此方法，在多斜边结构的斜面上镀上金属做成的小反射镜(BMR)，结构如图6所示。其有源层采用了多量子阱结构，通过干法刻蚀形成反射镜结构。在波长650 nm及电流为20 mA时外量子效率可达50％，而发光效率可达到1 001 m／W，并且在595～620 nm的波长内外量子效率和发光效率都很高。

　　这种有多斜边结构的小反射镜结构的反射率要高于布拉格反射层结构。但是由于这种结构的凸部是利用光刻技术和蚀刻技术形成的，技术复杂，成本也高，不适合高功率照明的要求，离最终的产业化距离尚远。

2.6晶圆键合技术

　　C.P.Wei等人利用晶圆键合技术把AlGaInPLED和Cu基板结合，结构如图7所示。Cu基板是具有高热扩散系数的物质，对于红黄光也有很高的反射率。一般在GaAs衬底上的LED电流只能达到100 mA，发光强度为400 mcd，但是在Cu基板上，可以在800 mA时达到发光强度1 230 mcd，可以满足大功率照明要求。

　　采用键合技术其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。金属键合取代了原来的半导体一半导体键合。键合的金属充当了一个反射衬底。适合金属键合的衬底应该是热扩散系数匹配并且热阻抗要小，GaAs、Ge和Si都是好的选择。

3 结论

　　一直以来，业界人士一直在不断探求改善和提高红光LED发光效率的方法。以上这些结构尽管能对外量子效率的提高做出一些贡献，但是局限AlGaInP LED外量子效率的最主要问题还是没有解决，目前LED面临的挑战依然是高的折射系数和无法避免的光损失。经过一些复杂的工艺，如晶片的金属键合、粗糙表面结构或是薄膜处理可以达到很高的外量子效率，有效地促进AlGaInP LED的应用，但是这些方法也都有自己的局限性，离最终的产业化也有一定的距离。提高LED发光效率的方法还有很多，如将一维光子晶体放在器件的底部做成谐振腔LED或是加大器件的驱动使其发生受激辐射，也就是所谓的超冷光辐射。这些方法同样可以增强AlGaInP LED的发光效率，但是相对采用透明基底以及采用合适的反射器等方法相比，这些方法的效果并不理想。随着外延技术、基板材料、晶片焊接技术、半导体热沉等技术的改进，AlGaInPLED发光效率会不断提高，红光LED将得到更大范围的应用。