半导体照明课件 9 第8章 AlGaInP 发光二极管
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Stop band的宽度可以根据下面的公式求得：
DBR设计理论基础 DBR最后的反射率R可以由下面的公式求得：
其中, ns为衬底的折射率。 对于TiO2/SiO2 DBR参数的表格见下图：
分布布拉格反射LED
3对SiO2/TiO2-DBR 样品的反射谱线见下图：
分布布拉格反射LED
玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲线。结果表明 随着DBR对数的增加，DBR的反射率也是逐渐增加的。
电流。只是因为其折射率差别较少，用半导体材料比用绝缘 材料需要比较多的层数才能得到高反射率。
绝缘材料做的DBR 材料之间的折射率的差距大，用较少的对数就可以实现
比较高的反射率。
分布布拉格反射LED
几种典型的绝缘材料的DBR SiO2是一种非常重要的薄膜材料，因为它的折射率很低。
SiO2不容易分解和吸收，散射性好，在160-8000nm是透明 的，并经常与TiO2一起合用。
即
x5.4672 y 5.4505 (1 x y)5.8697 5.6533
解得 因此，
y 0.5 x
AlxGayIn1-x-yP在满足与GaAs晶格匹配时为，AlxGa0.5xIn0.5P，可改写为 (AlxGa1-x)0.5In0.5P
1. AlGaInP材料的外延制作
InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的 GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到 GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电 学和光学参数的半导体薄膜外延材料。
典型的DBR结构图
分布布拉格反射LED
GaP晶片黏结透明衬底LED
透明衬底LED提供了最高的光取出效率,当除去GaAs衬 底后，用外延生长的办法生长很厚的一层GaP工艺太复杂,成 本太高。采用黏结GaP晶片技术可以解决这一难题。
GaP晶片黏结透明衬底LED
胶质黏着（蓝宝石晶片黏结）
使用一种胶质透明黏结层如旋涂式玻璃 (Spin On Glass, SOG)将发光二极管外延层与透 明衬底蓝宝石结合,然后再将原LED结构上GaAs 衬底移除至一刻蚀终止层。
尝试采用GaP等透明衬底生长AlGaInP，但晶 体质量难以提高。
方法一、在有源层和吸收GaAs衬底之间放一个高 反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射层；
方法二、黏结一个透明的GaP衬底以代替GaAs。
分布布拉格反射LED
分布布拉格反射用于提高AlGaInP LED光输出最早是在1992年。 分布布拉格反射镜又称DBR，是由两种不同折射率的材料以
HP公司采用截头倒装锥体 （TIP）芯片形状，光取出 效率提高到50%-70%，但 难以推广。
纹理表面结构
纹理表面结构通常叫粗化技术，就是将出光面用化 学腐蚀液腐蚀成许多小丘状，一般可提高出光效率50%70%。
第8章 AlGaInP发光二极管
AlxGayIn1-x-yP 四元系合金是可见光波段半导 体激光器和发光二极管的重要材料。
当生长晶格匹配GaAs衬底， AlxGayIn1-x-yP合 金具有1.9-2.6eV直接带隙宽度，其覆盖了可见光 谱从红（橙、黄）绿部分。
四元系AlGaInP化合物半导体是制造红色和黄色超高 亮度发光二极管的最佳材料，AlGaInP外延片制造的 LED发光波段处在550～650nm之间, 这一发光波段范 围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹 配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要 前提。
Βιβλιοθήκη Baidu
1. 上窗设计
因为半导体的折射率通常是较高的，发生在芯片内部光的射 线的反射临界角较小，因此，光折射后被全反射限制射出。
Q C
arcsin(n1/n2 )
这里n1和n2是芯片周围介质和GaP窗层的折射率。
1. 上窗设计
假如周围的介质是空气， n1=1和n2=3.4, 临界角大 约17.1º,圆锥角34.2º。大多数情况下，器件采用环氧树 脂封装（折射率1.5)，临界角宽展到26.2º，圆锥角也 扩大到52.4º，增加了53%。说明了器件用环氧树脂封 装的优点,封装后芯片光量自动增加了2-4倍。
AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技 术和多量子阱结构，波长625nm 附近其外延片的内量 子效率可达到100%，已接近极限。 目前, MOCVD生长AlGaInP外延片技术已相当 成熟。
1. AlGaInP材料的外延制作
AlxGayIn1-x-yP四元系是由AlP,GaP,InP组成的 固溶体半导体, 当x=0，或y=0,或x+y=1时，分别代表 三元系InxGa1-xP, AlxIn1-xP, AlxGa1-xAs，
TiO2在多层中的应用很广泛，TiO2的折射率很高，在可见 光区是透明的，并且非常坚硬。
如果在薄膜层中没有损失，反射率接近100%。损失包括两 种：散射和吸收。前者是由于薄膜界面层的粗糙度所影响 。
分布布拉格反射LED
DBR设计理论基础 制作DBR的时候，所需要注意的三个重要参数：
（1）两种材料间的折射率的差值。 （2）每一层材料的厚度。 （3）Stop band的宽度。 典型的绝缘DBR是采用TiO2/SiO2。 每层材料的厚度可以根据公式求：
ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为 中心反射波长的1/4。因此是一种四分之一波长多层系统，相当 于简单的一组光子晶体。
布拉格反射镜的反射率可达99%以上。它没有金属反射镜的吸收 问题。
分布布拉格反射LED DBR的分类
半导体材料做的DBR 用半导体做DBR的材料是目前用的最多的，而且可以通
1. 上窗设计
很清楚，窗的厚度并不影响向上方向圆锥内的射线；但 是，假如窗层薄，边方向射线在达到侧壁之前就已经全反射。
总的光取出效率是覆盖整个发光区4个侧壁的每个立体角 的积分，加上向上圆锥的贡献。
理论和测量都显示了厚窗能改进光输出效率。
2. 衬底吸收
为了晶格匹配，选择GaAs作为AlGaInP发光 材料的外延生长衬底。但其缺点是吸收光的问题 （衬底吸收一半）
因蓝宝石无色透明，从红到黄绿光都透明 而无吸收问题，比GaP（橙红色）做透明层在透 光上更胜一筹，因此LED发光效率大幅度提升。
纹理表面结构
即使上表面层非常透明，但由于是平面， 光从折射率为3.4的GaP进入空气或环氧树脂(折 射率为1和1.5)时,全反射问题非常严重。环氧树 脂封装后，出光效率仍不到20%，曾采用在表 面沉积增透膜（n = 1.7-1.9）,如SiO2，Si3N4等， 有一定效果。
Al Ga In
P
AlP 5.4672 Å
GaP 5.4505 Å
InP 5.8697 Å
As
AlAs 5.6611 Å
GaAs 5.6533 Å
InAs 6.0583 Å
当aAlGaInP (x, y) aGaAs 5.6533 时
1. AlGaInP材料的外延制作
aAlGaInP (x, y) x aAlP y aGaP (1 x y) aInP 5.6533
2. 器件生长 双异质结结构
首先研制成功的 高亮度 AlGaInP LED采用的是双异质 结结构, 生长晶格匹 配于GaAs。
p型GaP窗层是沉积在双异质结结构的顶部，用 做透明的电流扩展层。
AlGaInP的光学性质强烈地依赖于合金Al-Ga比， 如图8-7所示， (AlxGa1-x)0.5In0.5P 层的Al含量从0增 加到0.6, 带隙宽度从1.9增加到2.3eV。
按照Vegard定理， AlxGayIn1-x-yP的晶格常数，
aAlGaInP (x, y) x aAlP y aGaP (1 x y) aInP
1. AlGaInP材料的外延制作
aAlGaInP (x, y) x aAlP y aGaP (1 x y) aInP
Element
EΓ（x）= 1.91+0.61x ( eV )
材料的光致发光(PL)强度的下降随Al含量增 加, 使用AlGaInP进入间接带结构,如图8-7所示。
8.5 光的取出
AlGaInP LED 芯片发光后，如何才能最大可能 的取出呢？
光从发光二极 管芯片的p-n结发出 后一分为二，光的 一半向上传向芯片 的顶部，有很好的 机会逸出；另一半 向下传向芯片的衬 底，很容易被吸收。
III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl 、PH3与AsH3。
通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。
为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速 度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内 的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提 高了外延材料光电性能的一致性。
试验表明，采用拱形管芯结构可以增加临界 角，减小全反射，提高出光效率。如果将芯片的 表面加工成由许多微型的尖的、球状的小丘，也 可以起到同样的提高光取出效率的作用。
纹理表面结构 纹理表面结构技术20年前就开始在GaAsP器件上 采用，后来又推广到GaP, AlGaAs器件的芯片上， 通常叫粗化技术，就是将出光面用化学腐蚀液腐蚀成许 多小丘状，一般可提高出光效率50%-70%。
DBR设计理论基础 DBR最后的反射率R可以由下面的公式求得：
其中, ns为衬底的折射率。 对于TiO2/SiO2 DBR参数的表格见下图：
分布布拉格反射LED
3对SiO2/TiO2-DBR 样品的反射谱线见下图：
分布布拉格反射LED
玻璃衬底上，对数不同的时候DBR反射率的曲线。结果表明 随着DBR对数的增加，DBR的反射率也是逐渐增加的。
电流。只是因为其折射率差别较少，用半导体材料比用绝缘 材料需要比较多的层数才能得到高反射率。
绝缘材料做的DBR 材料之间的折射率的差距大，用较少的对数就可以实现
比较高的反射率。
分布布拉格反射LED
几种典型的绝缘材料的DBR SiO2是一种非常重要的薄膜材料，因为它的折射率很低。
SiO2不容易分解和吸收，散射性好，在160-8000nm是透明 的，并经常与TiO2一起合用。
即
x5.4672 y 5.4505 (1 x y)5.8697 5.6533
解得 因此，
y 0.5 x
AlxGayIn1-x-yP在满足与GaAs晶格匹配时为，AlxGa0.5xIn0.5P，可改写为 (AlxGa1-x)0.5In0.5P
1. AlGaInP材料的外延制作
InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的 GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到 GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电 学和光学参数的半导体薄膜外延材料。
典型的DBR结构图
分布布拉格反射LED
GaP晶片黏结透明衬底LED
透明衬底LED提供了最高的光取出效率,当除去GaAs衬 底后，用外延生长的办法生长很厚的一层GaP工艺太复杂,成 本太高。采用黏结GaP晶片技术可以解决这一难题。
GaP晶片黏结透明衬底LED
胶质黏着（蓝宝石晶片黏结）
使用一种胶质透明黏结层如旋涂式玻璃 (Spin On Glass, SOG)将发光二极管外延层与透 明衬底蓝宝石结合,然后再将原LED结构上GaAs 衬底移除至一刻蚀终止层。
尝试采用GaP等透明衬底生长AlGaInP，但晶 体质量难以提高。
方法一、在有源层和吸收GaAs衬底之间放一个高 反射性能的晶格匹配的分布布拉格反射层；
方法二、黏结一个透明的GaP衬底以代替GaAs。
分布布拉格反射LED
分布布拉格反射用于提高AlGaInP LED光输出最早是在1992年。 分布布拉格反射镜又称DBR，是由两种不同折射率的材料以
HP公司采用截头倒装锥体 （TIP）芯片形状，光取出 效率提高到50%-70%，但 难以推广。
纹理表面结构
纹理表面结构通常叫粗化技术，就是将出光面用化 学腐蚀液腐蚀成许多小丘状，一般可提高出光效率50%70%。
第8章 AlGaInP发光二极管
AlxGayIn1-x-yP 四元系合金是可见光波段半导 体激光器和发光二极管的重要材料。
当生长晶格匹配GaAs衬底， AlxGayIn1-x-yP合 金具有1.9-2.6eV直接带隙宽度，其覆盖了可见光 谱从红（橙、黄）绿部分。
四元系AlGaInP化合物半导体是制造红色和黄色超高 亮度发光二极管的最佳材料，AlGaInP外延片制造的 LED发光波段处在550～650nm之间, 这一发光波段范 围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹 配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要 前提。
Βιβλιοθήκη Baidu
1. 上窗设计
因为半导体的折射率通常是较高的，发生在芯片内部光的射 线的反射临界角较小，因此，光折射后被全反射限制射出。
Q C
arcsin(n1/n2 )
这里n1和n2是芯片周围介质和GaP窗层的折射率。
1. 上窗设计
假如周围的介质是空气， n1=1和n2=3.4, 临界角大 约17.1º,圆锥角34.2º。大多数情况下，器件采用环氧树 脂封装（折射率1.5)，临界角宽展到26.2º，圆锥角也 扩大到52.4º，增加了53%。说明了器件用环氧树脂封 装的优点,封装后芯片光量自动增加了2-4倍。
AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技 术和多量子阱结构，波长625nm 附近其外延片的内量 子效率可达到100%，已接近极限。 目前, MOCVD生长AlGaInP外延片技术已相当 成熟。
1. AlGaInP材料的外延制作
AlxGayIn1-x-yP四元系是由AlP,GaP,InP组成的 固溶体半导体, 当x=0，或y=0,或x+y=1时，分别代表 三元系InxGa1-xP, AlxIn1-xP, AlxGa1-xAs，
TiO2在多层中的应用很广泛，TiO2的折射率很高，在可见 光区是透明的，并且非常坚硬。
如果在薄膜层中没有损失，反射率接近100%。损失包括两 种：散射和吸收。前者是由于薄膜界面层的粗糙度所影响 。
分布布拉格反射LED
DBR设计理论基础 制作DBR的时候，所需要注意的三个重要参数：
（1）两种材料间的折射率的差值。 （2）每一层材料的厚度。 （3）Stop band的宽度。 典型的绝缘DBR是采用TiO2/SiO2。 每层材料的厚度可以根据公式求：
ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为 中心反射波长的1/4。因此是一种四分之一波长多层系统，相当 于简单的一组光子晶体。
布拉格反射镜的反射率可达99%以上。它没有金属反射镜的吸收 问题。
分布布拉格反射LED DBR的分类
半导体材料做的DBR 用半导体做DBR的材料是目前用的最多的，而且可以通
1. 上窗设计
很清楚，窗的厚度并不影响向上方向圆锥内的射线；但 是，假如窗层薄，边方向射线在达到侧壁之前就已经全反射。
总的光取出效率是覆盖整个发光区4个侧壁的每个立体角 的积分，加上向上圆锥的贡献。
理论和测量都显示了厚窗能改进光输出效率。
2. 衬底吸收
为了晶格匹配，选择GaAs作为AlGaInP发光 材料的外延生长衬底。但其缺点是吸收光的问题 （衬底吸收一半）
因蓝宝石无色透明，从红到黄绿光都透明 而无吸收问题，比GaP（橙红色）做透明层在透 光上更胜一筹，因此LED发光效率大幅度提升。
纹理表面结构
即使上表面层非常透明，但由于是平面， 光从折射率为3.4的GaP进入空气或环氧树脂(折 射率为1和1.5)时,全反射问题非常严重。环氧树 脂封装后，出光效率仍不到20%，曾采用在表 面沉积增透膜（n = 1.7-1.9）,如SiO2，Si3N4等， 有一定效果。
Al Ga In
P
AlP 5.4672 Å
GaP 5.4505 Å
InP 5.8697 Å
As
AlAs 5.6611 Å
GaAs 5.6533 Å
InAs 6.0583 Å
当aAlGaInP (x, y) aGaAs 5.6533 时
1. AlGaInP材料的外延制作
aAlGaInP (x, y) x aAlP y aGaP (1 x y) aInP 5.6533
2. 器件生长 双异质结结构
首先研制成功的 高亮度 AlGaInP LED采用的是双异质 结结构, 生长晶格匹 配于GaAs。
p型GaP窗层是沉积在双异质结结构的顶部，用 做透明的电流扩展层。
AlGaInP的光学性质强烈地依赖于合金Al-Ga比， 如图8-7所示， (AlxGa1-x)0.5In0.5P 层的Al含量从0增 加到0.6, 带隙宽度从1.9增加到2.3eV。
按照Vegard定理， AlxGayIn1-x-yP的晶格常数，
aAlGaInP (x, y) x aAlP y aGaP (1 x y) aInP
1. AlGaInP材料的外延制作
aAlGaInP (x, y) x aAlP y aGaP (1 x y) aInP
Element
EΓ（x）= 1.91+0.61x ( eV )
材料的光致发光(PL)强度的下降随Al含量增 加, 使用AlGaInP进入间接带结构,如图8-7所示。
8.5 光的取出
AlGaInP LED 芯片发光后，如何才能最大可能 的取出呢？
光从发光二极 管芯片的p-n结发出 后一分为二，光的 一半向上传向芯片 的顶部，有很好的 机会逸出；另一半 向下传向芯片的衬 底，很容易被吸收。
III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl 、PH3与AsH3。
通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。
为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速 度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内 的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提 高了外延材料光电性能的一致性。
试验表明，采用拱形管芯结构可以增加临界 角，减小全反射，提高出光效率。如果将芯片的 表面加工成由许多微型的尖的、球状的小丘，也 可以起到同样的提高光取出效率的作用。
纹理表面结构 纹理表面结构技术20年前就开始在GaAsP器件上 采用，后来又推广到GaP, AlGaAs器件的芯片上， 通常叫粗化技术，就是将出光面用化学腐蚀液腐蚀成许 多小丘状，一般可提高出光效率50%-70%。