半导体照明课件 9 第8章 AlGaInP 发光二极管

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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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
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，
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。
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
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。
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：
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%。
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。