提高内量子效率IQE
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b.施主与价带复合
c.施主与受主复合
d.激子的再复合
辐射和非辐射之间的竞争决定了LED的内量子效率:
﹙ η 1 /﹛[1 ﹙N α p ﹚/﹙ N βn ﹚exp [- E E ﹚ / ﹙KT﹚ 式中,N ——非辐射复合中心密度 E ——非辐射复合中心能级密度 N ——辐射复合中心密度 E l ——辐射复合中心能级密度 N 0 ——非辐射复合概率 ——辐射复合概率 n、p ——自由电子和空穴浓度
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由内量子效率的表达式可以显而易知,发光 中心密度大,非辐射复合中心密度小,发光 中心浅,自由电子密度越大,则内量子效率 越高。 制作发光二极管的原材料和各道加工工艺均 要避免非辐射复合中心如位错和深能级杂质 的引入,这是提高内量子效率的重要措施。
异质结构
• 异质结是由两块不同 带隙能量的单晶半导 体连接而成的。
光子循环
• 光子循环是自发的光没有被吸收而被活性 层吸收再变成载流子,可以节省电流、增 加内量子效率。 • 光子循环有个局限性,就是大面积才会有 明显的效果。
改进内部结构
• 1.改善电流分布
简单介绍一下 材料参数和结构对IQE的影响
• 双异质结结构:两侧的覆层(Cladding Layer)的禁带宽度要大于活性层 (Active Layer),AL采用量子阱结构 能更好的限制载流子,提高IQE。然而, 采用量子阱AL,阻碍载流子在相邻阱 的移动,所以采用多量子阱结构, Barrier需要足够透明(低和薄)以 防止载流子在每个阱内的不均匀分配。
复合的类型
• 辐射型复合,伴随光 • 非辐射型复合,不伴 的辐射复合,电子与 随光辐射的复合,电 空穴复合释放的能量 子与空穴复合释放的 产生光子。 能量转变为热量。 常见的复合方式: 常见的复合方式: 1、电子与空穴的碰撞复 1、伴随多数声子的复合、 合、 2、俄歇复合、 2、通过杂质能级的复合、 3、器件表面的复合。 3、通过相邻能级的复合、 4、激子复合。
覆层参杂
覆层(Cladding Layer)参杂:覆层的电
阻率是决定覆层浓度的重要参数,浓度一 定要低到不足以在覆层中产生热效应,但 是覆层参杂又必须高过活性层(AL)用来 定义PN结的位置。每种材料有其最佳范围。 但是p型浓度典型要高过n型。覆层中p型杂 质浓度过低将使电子从AL中逸出,从而降 低IQE。
晶体中杂质和缺陷
红外辐射复合中心:禁带中形成深能级 的Au、Cu、Cr等重金属,Na、Li等碱金 属,以及O、C等元素。 非辐射复合中心:晶体中的位错是PN结面 不平而导致辐射不均匀或者使杂质向 位错线集结。
PN结移位:PN结移位会影响IQE,特别 是Zn、Be等小原子,可以轻易扩散过 活性层(AL),到下覆层(CL)。同时,Zn、 Be的扩散系数非常依赖浓度,当浓度 超过极限,扩散速度大大提高,所以 制造时必须格外小心。
禁带宽度适合,LED的波长取决于外延材料的 禁带宽度Eg。 制得电导率高的P型和N型材料,选择适当的 外延工艺和掺杂材料。 完整性好的优质晶体,影响到复合质量。 要求发光复合概率大,一般用直接跃迁型半 导体。合理的结构设计,更好提高发光效 率。
半导体材料的选择
• 右图示出了Ⅲ-Ⅴ及 Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙 (Bandgap)与晶格常 数(Lattice Constant) 的关系。
• 直接带隙和间接带 隙半导体,选择哪 一类半导体更能提 高内量子效率呢?
• 直接带隙材料的导带 底与价带顶在同一K空 间,电子与空穴可以 有效地再复合,跃迁 复合发光概率大。发 光复合发光概率大对 提高发光效率是必要 的,因此发光二极管 经常用直接跃迁型能 带结构的晶体制作。
材料中存在红外辐射复合中心和非辐射 复合中心会减低可见光的发光效率。
晶格匹配:晶格不匹配增大,晶格位错线 呈现黑色,导致IQE下降。虽然GaAs和InP中 晶格匹配与IQE有很强的关系,但GaN中这 种关系却不明显,这主要是GaN中位错的电 学活性很低,另外,载流子在GaN的扩散长 度很短,如果位错间的平均距离大于扩散 长度,特别是空穴的扩散长度,那么位错 上的非辐射复合就不严重。另外一种解释 是,InGaN之所以具有高效率是因为化合物 的成分波动限制了载流子扩散到位错线。
从上式可见,提高内量子效率主要在于提高材 料的纯度、完整性和改进PN结制作工艺的完美 性,以降低非辐射复合中心的浓度。
间接跃迁的复合辐射过程是通过一些发光中心来实 现的,这就使得过程复杂化,间接跃迁过程的内量 子效率可粗略地表示为
• 恰当选择发光中心,使它具有较高的浓度及适当 的电离能和大的复合截面,并尽可能提高材料纯 度和完整性,以降低焠灭中心的浓度,提高ηi。
量子阱
• 量子阱结构(QW): 有源层的厚度可以和 晶体中电子的德布罗 意波长相比拟或比它 小,载流子会被量子 限域。量子阱结构是 异质结构的一种特殊 结构。
量子阱能带图
电子阻挡层的量子阱
• 在量子阱和P型导电层 之间以带隙更宽的P型 材料(Eg3>Eg1>Eg2) 制作电子阻挡层,防 止电子漏入P型导电区 来提高注入效率。 • 有源层是一个右边和 左边势垒为U1和U2的 非对称QW
辐射型复合
直接带隙材料中,电子和空穴复合时,其发光跃迁有多种可能性, 如图所示,图7与图8是一般AlGaInP红光LED产生光的原理,而图9 是AlGaInN的蓝光及绿光LED的产生原理
a.带间复合
பைடு நூலகம்
b.自由激子相互抵消
c.在能带势能波动区, 局部束缚激子的复合
• 因杂质而产生的发光再复合过程
a.受主与导带复合
提高内量子效率(IQE)
成员:安如阳、易小斌、陈荣昌、 叶武海、何超文
LED外延结构的内量子效率(IQE)对 芯片的发光亮度有着决定性的影 响。 有些人误解为IQE由MOCVD工艺决 定,其实IQE应该是由外延材料的 设计决定。
而国内缺少的恰恰是外延结构的 设计人才,只会用设备的人不一 定能够长出高质量的材料。
多量子阱
• 多量子阱:两种不同 半导体材料薄层交替 生长形成的多层结构, 势垒层足够厚,相邻 势阱之间载流子波函 数之间耦合很小,多 层结构形成许多分离 的量子阱。简单而言, 就是由多个势阱构成 的量子阱结构。
• 上图是双异质结构 • 下图是多量子阱结构
比较4个500埃厚的量子阱, 2000埃厚及7500埃厚的DH 在室温,592nm时的发光效率 与电流的关系。
活性层(Active Layer)
• 活性层(Active Layer)厚度也对IQE有很 大影响,不能太厚,也不能太薄,每种材 料有其最佳范围。 • 活性层参杂:活性层绝对不可以重参杂, 要么轻参杂,低过覆层(Cladding Layer) 的参杂浓度,每种材料有其最佳范围,活 性层经常也不参杂。
• 活性层使用p型参杂多过使用n型参杂,p型 参杂可以确保载流子在活性层内的均匀分布。
• 活性层参杂有好处也有坏处,参杂浓度增加, 辐射载流子的寿命缩短,导致辐射效率增加。 但是,高浓度参杂也引入缺陷。有趣的是 MOCVD生长在有些时候还依赖于参杂,杂质 可以作为表面活化剂,增加表面扩散系数, 从而改善晶体质量。例如,InGaN使用Si参杂 可以改善晶体质量。
• 理想的异质结是由晶 格参数失配很小(小 于0.1%)的材料制成。
双异质结构
• 双异质结是由一层窄 带隙P型有源层夹在n 型和p型的宽带隙导电 层中。
• 双异质结增加了有源 区中过剩载流子的浓 度,从而增加了辐射 复合的概率。
双异质结LED的能带图
• 利用异质结构,会使得材料组分的变化 引起带隙的变化。 • 当然,单异质结构和双异质结构都要求 材料之间具有较好的晶格匹配。晶格常 数相差较大,异质界面上会产生很高的 缺陷(通常是位错)密度,晶格缺陷会 导致非辐射复合。 • 双异质结构中的有源层变薄能增加辐射 复合概率和减小再吸收。
图1.直接带隙
图2.间接带隙
内量子效率的定义
内量子效率(ηint)是一个微观过程 复合载流子产生的光子数与复合载流 子总数之比。因为无法去计数复合载 流子总数和产生的光子总数。因此一 般是通过测量LED输出的光功率来评 价这一效率。
直接跃迁过程比间接跃迁过程简单,其内量子效 率取决于少数载流子的辐射复合与非辐射复合的 寿命。直接跃迁的内量子效率可以表示为
缓冲层
在衬底上生长一层缓冲层可以减少因外延层 与衬底间晶格失配引起的大量位错。 例如在蓝宝石衬底上生长简单GaN缓冲层其位 错密度仍在10^8~10^9个每平方厘米,但是 通过侧向过生长外延GaN缓冲层,改进缓冲 工艺,可以把位错密度降低到10^6~10^7个 每平方厘米。
LED对外延片的技术要求