ALGaInP发光二极管

第 1 页 共 75页
第
五
章
A
l
G
a
I Ⅰ 导自从60年代初期GaAsP 红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。

最早发展包括用GaAs 1-x P x 制成的同质结器件，以及GaP 掺锌氧对的红色器件，GaAs 1-x P x 掺氮的红、橙、黄器件，GaP 掺氮的黄绿器件等等。

到了80年代中期出现了GaAlAs 发光二极管，由于GaAlAs 材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使LED 的发展达到一个新的阶段。

这些GaAlAs 发光材料使LED 的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard 公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn 材料为基础的新型发光二极管。

由于AlGaIn 在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED 的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户大屏幕 简单的同质结器件是利用氢气相外延生长GaAsP 层，或利用液相外延生长GaP 层，通过掺入杂质如Zn 、T e 产生pn 结, 对于GaAsP 器件，由于在GaAs 和GaP 衬底上生长外延层存在外延层和衬底间晶格不匹配的问题，用这种材料做成异质结器件不大可能。

而GaAlAs 和AlGaIn 可长成晶格匹配的异质结器件（在GaAs 衬底上生长）。

这两种材料是直接带半导体材料，其合金范围较大，通过改变铝合金组份，可以长成合适的晶格匹配层。

图（1）给出用不同材料制成的同质结和异质结L E D 外延结构
第 2 页 共 75页
图1. 使用不同材料的各种发光二极管( LED )例子:(a)典型的GaAsP 器件;(b)单异质结GaAlAs 器件;(c) GaAlAs 吸收衬底(AS)双异质结(DH)LED ;(d) GaAlAs 透明衬底DH LED ;(e) 吸
收衬底A L G a I n
P
D
由于含铝气体对于石英容器具有腐蚀性，普通的气相外延不能够生长含铝合金。

对于AlGaAs 材料，通常采用液相外延技术，特别对于发红光的器件，在液相外延过程利用在Ga 溶液中发生的消氧效应，可以制成内量子效率达到50%，波长约650nm 的发光二极管。

对于AlGaInP 发光二极管，由于在溶液中铝分离，液相外延方法不是一种合适的方法，对于(Al x Ga 1-x )0.5In 0.5P (晶格和GaAs 衬底匹配
)以及掺铝较少的AlGaAs 红外发射器件，使用金属有机化合物气相外延技术（OMVPE ）。

也可以利用分子束外延生成优质的AlGaInP 材料和器件，尤其是激
第 3 页 共 75页
光二极管。

然而，就制造OMVPE AlGaInP 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（对于AlGaInGp OMVPE 生长的完整讨论见第四章），这主要是因为OMVPE 工艺改进了材料质量，提高了生长速度且其价格为客户所能接受，事实上，当前用OMVPE 生产AlGaInP LED 标志着这种生产技术已
经真
正
使用于光
电子器
件的批
量生产。

OMVPE 是一个高度可控的薄膜生长过程，生长层的组份，掺杂水平和厚度可以分别控制从而产生一个复杂的异质结器件。

过程的灵活性使得可以长成阻碍电流流过器件某一区域的阻挡层和分布型布拉格反射器（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，还可以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 衬底从而完全消除衬底的吸收。

这些改进正在被用于发 本章重点介绍优质AlGaInP LED 器件的发展和制造，描述AlGaInP LED 激活层的设计，AlGaInP 合金材料的性质。

其次讨论为了提高光输出LED 结构的特殊部分，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AlGaInP LED 晶片的制造过程，讨论AlGaInP 器件的性能，包括效率，颜色，电性能及可靠性等。

最后论证A l G a I n P
相对于其他 Ⅲ-Ⅴ半导体材料 ( 除了以氮为基础外 )，AlGaInP 合金具有最大
第 4 页 共 75页 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，存在大大超过多数普通间接带隙发射器（如GaAsP ，掺氮的GaAsP （GaAsP ：N ），GaP ，掺氮的GaP （GaP ：N ）的可能，从而促进了对AlGaInP LED 的研究。

最早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Al x Ga 1-x As 中Ga 代替Al 的能力导致具有较大带隙四元合金（A l x Ga 1-x ）y I n 1-y P 的出现且可以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（分别为5.4510A 和5.4512A ），可以很容易的通过调整
四元合金中 (I n )的克分子含量来实 事实上，和每种Ⅲ-Ⅴ半导体发光化合物一样，AlGaInP LED 为了获得高的发光效率，必须有低的晶体缺陷密度。

GaAs 是唯一可和（Al x Ga 1-x ）y In 1-y P 实现晶格匹配的二元化合物半导体衬底（晶格常数为5.6533A ）, 晶格匹配发生在Y ～0.5以上的整个组分范围。

此外，（Al x Ga 1-x ）0.5 In 1-0.5 P 合金和GaAs 的热膨胀系数非常接近，这使得热循环（从室温到800℃以下的生长温度）过程不会产生有害的晶体缺陷。

许多人试图由块状材料或在晶格不匹配的衬底上制成InGaP LED 。

已经在GaP
，GaAs 和GaAsP 假衬底上制成晶格不匹配的同质结InGaP LED 。

此外，已经在
GaAs 0.7P 0.3假衬底上制成晶格不匹配的（Al x Ga 1-x ）0.65 In 0.35 P LED 。

尽管利用了各种各样的晶体生长技术，材料组份和器件设计，但是，和在GaAs 上生长晶格匹配的（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 相比，由于这些器件包含了很多晶体位错和缺陷，实际上限制了其性能。

迄今为止所报道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法生长的InGaP 同质结LED ，在λ～590nm 处，其最高效率可达到～10 lm/A （外量子效率～0.9%）。

虽然这些器件的效率是商业化GaAsP ：N GaP L
E
D
的3
第 5 页 共 75页
a. 带
隙能量
（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 合金和GaAs 晶格匹配导致最优质晶体的出现，因而得到效率最高的LED 材料。

为了得到最佳的LED 结构设计，必须了解（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 合金的能带结构知识。

已经在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 合金中观察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）。

这种现象被解释为在Ⅲ族衬底上In 和Ga （或Al ）原子的排列导致沿｛111｝晶面出现一个单层（In P ）—GaP （或In P —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AlGaInP LED 是在短波范围应用，无序合金被认为是高能带隙的结果。

对于相同的波长，无序合金的含铝量比有序合金低，通常认为较低的铝含量具有较少的非辐射复合中心，因而有利于长成优质材料。

此外，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AlGaInP LED 通常是用无序材料制造的。

无序合金通常是在无确定晶向的衬底上生长，改变外延生长条件或两种方法同时使用而得到，本章余下部分集中讨论由无序合金对于无序的（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 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（Al x Ga 1-x ）0.5 In 0.5 P 晶体进行低温
（2K ）测量得到的。

考虑到300K 时带隙的变化，Γ带的数据约减少70meV ，因此，直
接
（Γ）带隙随
同样，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
第 6 页 共 75页
图2. 由低温（2K ）压力测量得到的无序（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 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-间接交点出现在合金组
份
X =0.53时,对应
的
发射
图2的能隙关系表明（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 合金由550nm 到650 nm 是直接带，此外，这些关系表明Γ和X 能隙随组分的变化是线性的。

这和迄今为止报道的实验数据是相一致的。

这种现象被认为是因为AlP 和GaP 具有类似的晶格常数，化学无序的影响较小。

这种线性变化形成了这种合金的各种要素。

不同研究者测量得到的E Γ关系式是一致的。

E x 关系在合金组份x=0.53时，在2.23 eV (550 nm) 处出现Γ- X 交叉点，这一300K 交叉组份和高压带隙得到的数据x=0.58以及光谱学测量得到的数据x=0.50±0.02是接近的。

此外，交叉波长555nm 与用（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 合金材料制造的最短波长的LED 相一致。

同样地，在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 合金观察到77K 时，最短发射波长出现在激活
第 7 页 共 75页
区组份x ～0.56处。

因此，大量数据表明：交叉点出现在合金组份范围x=0.5到
0.6处，这个
结果和等式
（1）和（2）相一致。

等式（2）E x 关系式和以前其他工作者求得的结果以及对AlP ，GaP ，InP 应用Vegard 定律得到的结果有很大不同。

这些数据结合等式（1）E Γ关系式表明当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～70 meV 。

这个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～590 nm ）转为黄绿时，LED 的效率大大降低，这和第Ⅶ部分第1节所讨论是一样的。

此外，X 最小值处能隙能量较低增加了获得充足的束缚 理论上已经求得300K 时，Ga 0.5In 0.5 P 合金L 最小值位置在Γ最小值以上100～200 meV 处。

进一步的理论研究估计在x=0.52时，L 带在Γ带上方～40 meV 处。

未有试验可以证明在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 中L 最小值位置的存在。

静高压测量表明在整个合金范围，位于能隙上方的L 最小值，与x=0时比较，至少有120 m e V 的偏差。

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分布。

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，这些值变得特别重要。

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
目前没有（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P ，
InP ，或AlP 在X 带中电子有效质量的资料。

第 8 页 共 75页 然而，X 带有效质量和阳离子种类无关，这样，可以通过GaP 中X 带能级密度电
子有效质量近似求得：
m e
x
(x )= m e
重空穴和轻空穴有效质量可由下式给出：
m h
h (x )=
m l
h
(x )= 根据这些值，可由关系式m h (x)=[ m hh (x)3/2+ m lh (x) 3/2 ] 3/2求得有效空穴质量。

注意在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 系统中有效束缚能级载流子质量比在Al x Ga 1-x As 系统要高得多，这些参数对于LED 器件的设计有许多影响。

在异质结器件中，直
接能带和间接能
带能级密度和
载
流子
C . 能带偏移 异质结能带偏移知识对于光电器件结构的恰当设计是很重要的，已用不同技术在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 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。

可以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得到的导带偏移（ΔE C ）和价带偏移（ΔEv ）,其中已由能隙关系式即等式（1）和等 ΔE C ΔE 价带偏移由下式 Δ虽然这些数据较为分散, 但是, 图3表明合金组份x=0.5～0.7时, 最大导带偏
第 9 页 共 75页 移～0.2 eV 。

当铝的克分子数较大时，由于Γ带和X 带出现交叉，导带偏移减少。

最大价带偏移～0.2 4eV ，发生在合金组分x=1.0时。

此外，已经测量到，G
a 0
.
5
I n 0
.
5P 相
对
于
G a A s 的导带偏移为
图3. 无序
（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 相对于Ga 0.5In 0.5P 导带和价带能量偏移与合金组份的关系。

导带最大偏移（△Ec ）近似为0.2eV ,出现在X = 0.5～0.7时, 价带最大偏移（△Ev ）出现在A l 0
.
5
I n 0
.
5P 2. 双异质结器件 几十年前就已经知道利用异质结可以改进发光二极管的性能。

因为异质结LED 提供了以下固有的优点: 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进了电流的扩展和光的输出。

以AlGaAs 为基础的器件首次成为使用异质结的实用器件从而改进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。

然而，已经证明使用双异质结（DH ）可以得到最大的好处。

迄今为止效率最高的红色AlGaAs LED 就是使用
第 10 页 共 75页
扩大AlGaAs DH 发光二极管以及（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 发光二极管的知识首先要研究DH 激活区。

一个典型的（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH 发光二极管激活区的能带图如图4所示。

这种器件由Al 0.5In 0.5P 或（Al 0.7 Ga 0.3）0.5 In 0.5 P 宽带隙N — P 型注入— 束缚区 (～0.5 - 1.0μm 厚)以及一个（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 窄带隙激活区 (～0.3 – 1.0μm )组成。

激活区组份X 在发射光谱的650nm 红（x=0）到555 nm 绿（x ～0.53）之间变化。

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。

然而，在Al 0.5In 0.5P 中得到高的P 型掺杂和合理的传导率存在困难。

因此，在许多LED 结构中使用（Al 0.7Ga 0.3）0.5In 0.5 P 束缚层。

选择宽带隙束缚层的掺杂使LED 中载流子的注入效率和束缚以及电流的扩展最大。

掺杂必须足够的高以使这些层的电阻达到最小。

然而，必须注意把在激活层附近掺杂引进的非辐射复合中心的影响减少到最小。

据报道，对于（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P LED 束缚层（x=0.7或1.0）的最佳掺杂，N 型层为1×1016～5×1018cm -3，P 型层为4×1017～2×1018 cm -3，T e 和Si 已经成功被用作（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5 P 的n 型掺杂材料而典型的p 型掺杂材料是Mg 和Zn 。

很多工作者把Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 激活层描述为无意掺杂。

然而据报道，激活区的最佳掺杂水平是轻掺杂n -或p - (＜1×1017cm -3）。

因此，DH 活动区的掺杂可以是N –p -P 或N - n-P ，或N – n – p - P ，而在最后一种情况，p
-n 结位于
第 11 页 共 75页
图4. 典型的双异 a
.
少数载流子注入
（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 发光二极管通常工作在比较低的电流密度（＜150A/cm 2）下，因而注入载流子密度(＜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，因而增加了异质结构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 式中J e.h 是注入电子和空穴密度；D e.h ，L e.h ，N e.h 分别是少子扩散系数，少
子扩散长度和掺杂密度；m e , m h 分别为宽带隙N -束缚层和窄带隙P –激活层电
子
（
空穴）有效质量。

对于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，在这种情况下，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。

同样
可得到由一个宽带隙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
第 12 页 共 75页
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以及导带和价带偏移尖峰（ΔEc, ΔEv ）的影响。

这些等式表明：能隙差对于注入比起着极
其重要的作用，为了得到最佳注入效率
，
应
红色（630nm ）和红- 橙（615nm ）（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P LED 的激活层和束缚 - 注入层（x = 1.0或x = 0.7）之间有一个足够大的能隙差（ΔEg ＞0.2V ）, 从而保证一个理想的N - p ( P - n )异质结所必须的电子（空穴）单边注入。

表1给出
N - p 型和( P - n )型（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 异质结LED 在590和570 nm 时电子和空穴的注入效率。

此处，激活层和x = 1.0或x = 0.7注入层之间的能级差小于
0.2ev 。

因此，电子和空穴的注入效率分别被定义为J e /(J e +J h ) , J h /(J e +J h )。

在（
Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 应用中要对典型使用的N - p 和 P - n 异质结的载流子注入效率进行计算，计算时因为无法得到关于少数载流子和多数载流子迁移率的数据，所以假定DH 器件具有1μm 厚的激活层。

同样地，假定电子和空穴的少子扩散长度分别为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。

计算值表明：对于短波长（570 nm ）黄绿 LED ，在一个x = 1.0和x = 0.7宽带隙注入层的N - p 异质结中，可以实现电子的单边注入（注入效率=1）。

在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 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，观察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可以通过利用较宽带隙（x = 1.0）的注入层得到改善（这种注入层与x = 0.7
第 13 页 共 75页
的注入层比较，增加了一个约25mev 的能隙差）。

对于这些器件，为了得到最高的空穴注入效率，必须实现材料和结参数（例如：迁移率，少子扩散长度和掺杂）的最佳化。

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，带的不连续偏移以及在空间电荷区载流子的复合和产生都可能影响或支配决定器件设计
量的
性
能。

表
A l
x
G a 1
-
x
）
0.
5
I
n 0
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，也可能逃到邻近的束缚层，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可以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
和激活层掺杂类型和水平，注入载流子密度以及激活层组份有关。

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。

因而可以知道，对于P 型（Al x Ga 1-x ）0.5
In 0.5P 激活层（此处，电子被注入到激活层），因为电子的迁移率实际上超过空
穴的迁移率，所以激活层较厚。

对于（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 发光二极管，激活层厚
第 14 页 共 75页
度小于1～2μm ，一般满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
收而引起的L E D 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（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 合金中发现了非辐射复合中心，
并发现它们使材料的辐射效率下降。

特别在（
Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 中发现深能级除了和氧杂质有关外，还和P 型杂质Zn ，n 型杂质Si 和Se 有关。

对掺Zn （Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH 系统作Time-resolved 光致发光（TRPL ）测量表明，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。

此外，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。

这些资料表明在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P LED 制造中，选
择掺杂种类和控制掺杂浓度和位 使氧污染达到最小是产生高效率（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P LED 的关键。

（Al x Ga 1-x ）0.5
In 0.5P 中的氧污染和两个具有热激活能（Er ）～0.46 至0.64ev (D2) 和～0.9
至
1.3eV ( D3 ) 的深电子陷阱有关。

图5给出具有x ～0.4激活层的（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P LED 氧浓度和陷阱D2，D3密度以及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（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH LED 中，氧的控制是
很重要的，外延生长时，即使含氧的污染很低，也会发生氧混入（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P
合金中。

结果，有各种各样技术被用来减少（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 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
佳
化
，
O
M
第 15 页 共 75页
总的非辐射复合寿命还和来自DH 激活层 — 束缚层界面以及束缚层内部的界面复合有关，对于较薄（小于0.4μm ）的无掺杂（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH 激活区，TRPL 测试表明界面复合对于总的非辐射复合速率有着重要影响。

此外，T R P L 研究表明对于掺Z
n 的异
质界面，当
掺Z
图5. 在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P( X ～0.4)发光二极管中氧浓度( N OX )和与其相关的D 2和
D 3深能级浓度(N D2,N D3)之间的关系（左）。

在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 发光二极管中氧及与其相关的深能级浓度的
束缚层内的深能级，对于非辐射复合也有影响。

在束缚层中与氧有关的深能级密
度增加，则DH 样品中非辐射复合速率也增加，这种行为被推测是由于隧道效应
第 16 页 共 75页
即激活层的载流子进入邻近束缚层深能级的结果。

因此，这些资料表明，使DH 异质界面和束缚层内部的非辐射复合达到最小，对于实现高效率（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P L E
D 是十分重要的。

C . 载流子束缚 正如第Ⅱ部分第2.b 节所讨论那样，器件激活层载流子束缚的结果使DH LED 的辐射效率得以提高。

要得到这样的好处，激活层的厚度必须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，注入载流子必须缺乏可漏出激活—束缚层界面处势垒的足够热能。

对于固定的注入流密度，激活层厚度（因而注入载流子密度）和电子及空穴的异质势垒高度直接影响载流子束缚。

（Al x Ga 1-x ）0.5
In 0.5P 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导致阈值电流的增加和性能及工作温度的下降。

然而，激光二极管和发光二极管不同，典型的激光二极管具有较薄的活动层和较高的注入流密度，因此，和激光二极管比较，LED 异质结器件载流子泄漏问题相对较小，然
而，在发光二极管中，这个 在DH 器件中载流子泄漏可能由载流子漂移或载流子扩散组成，这些载流子具
有足够的热能可以从激活层传送到束缚层。

漂移泄漏部分随注入流密度的增大而
增加，因此，对于工作在较高电流密度下的器件（例如：激光二极管），以漂移泄
漏为主。

典型的发光二极管工作在1～2个数量级的较低注入流密度下，因此，扩
散流是主要的。

对（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P SCH QW 激光器的分析表明：对于注入流
密度为400A/cm 2，总激活层厚度为～0.3μm 的情形，漂移泄漏和扩散泄漏接近。

这一注入流密度比（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH LED 大得多，后者注入流密度一般在
5～150A/cm 2之间且具有较厚的激活层（从而注入载流子密度较低）。

在一个DH
器
件
中
，
第 17 页 共 75页
此处，μe ，L e ，m e 分别是电子少子迁移率，扩散长度，以及上束缚层中的DOS 有效质量；E fn 是激活层中电子准费米能级（从导带边缘测量）；△ε是电子束缚势能。

激活层中电子准费米能级是激活层中注入少子密度（电流密度）的函数。

电子束缚势能是在激活—束缚界面电
式中第一项代表束缚层和激活层之间带隙能量之差，第二项是激活层和束缚层中空穴准费米能级（由价带边缘测量）之差。

注意方程（13）和（14）中假定异质结是理想的，即没有界面态且导带偏移尖峰的存在可以忽略或足够窄，允许电子通过隧道穿越它。

这些方程表明：电子的扩散泄漏可以通过增大束缚层和激活层之间的能隙差及加重P 型束缚层的掺杂使之减少。

后者保证激活层和束缚层中费米能级之差达到最大。

因此，重P 型掺杂Al 0.5In 0.5P 束缚层是使电子泄漏达到最小的最佳选择。

已经证明在（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH 激光二极管中，极高的工作温度和特性温度（意味着较低的电子泄漏）正是增加了P 型束缚层掺杂的结果。

然而，在铝组分较高（X ＞0.7）的（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P 层中，除非P 型掺杂过程使用了最佳条件，否则，难以实现高的P 型掺杂（见第四章）。

由于这一困难的存在
，
在
第 18 页 共 75页
同样可以得到n-N 异质结中空穴扩散泄漏的关系式。

然而，由于空穴迁移率要比电子迁移率小一个数量级，所以，空穴泄漏通常比电子泄漏要小。

此外，在直接带隙激活层中，空穴的DOS 有效质量要比电子大得多，结果具有足够热能可超越同样束缚层势垒的空穴密度要比电子小得多。

例如，在（Al x Ga 1-x ）
0.5In 0.5P DH 激光二极管中，已求得空穴泄漏电流是电子泄漏电流的1/100。

因
此
，电子扩散泄漏是流出（A l x
G a 1-
x
）
等式（13）中含有电子束缚势能的指数项对于电子扩散泄漏电流起着决定性作用。

对于波长为630nm 和615nm ，激活层厚度为1μm 的（Al x Ga 1-x ）0.5
In 0.5P DH LED ，电子束缚势能大到足以可忽略掺杂水平大于1017 cm -3，注入载流子密度小于1017 cm -3的（Al x Ga 1-x ）0.5In 0.5P DH 束缚层（X=0.7或1.0）中的电子泄漏。

然而，在电子束缚势能较小的短波长器件中，电子束缚的最佳化可能变得更加重要。

表Ⅱ给出计算波长为590 nm 和570 nm ，激活层厚度为1μm ，束缚层X=0.7或1.0，且掺杂为作为LED 使用时水平的 （Al x Ga 1-x ）0.5
In 0.5P LED 电子扩散泄漏的参量。

表Ⅱ中定义电子束缚率为1-J L /J ，其中，J 是总的注入流密度。

这些计算表明：对于工作在λ～590 nm 黄色光谱区的器件，电子扩散泄漏不会使LED 的性能下降。

然而，较短波长（λ～570 nm ）的黄绿器件，效率可能因电子泄漏而大大减少。

在这种情况下，如果能实现充分高的P 型掺杂，则利用较高带隙X=1.0束缚层较之使用X=0.7束缚层器件的电子束缚率可以提高1.5倍。

对λ～566 nm 器件报道的实验数据表明：当束缚层组分由X=0.7增加到X=1.0时, 外量子效率可有1.5倍的改善，这一结果和以上计算接近一致。

此外，前面的计算都是对于激活层厚度为1μm 进行的。

对于相同的注入流，激活层较薄的器件具有较高的注入载流子密度，这使得当激活层厚度减少。