半导体照明技术：第五章 半导体发光材料体系

GaAs中的线位错（X W Liu,1999）
5.2 磷化镓
• GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同 的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20 世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 • 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主 要是镓空位。 • VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、 镁是常用的P型掺杂剂 • 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复 合。液相外延生长，效率为0.7% • 黄色LED: 气相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发 光向长波长移动，峰值波长为590nm。 • 红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在 700nm,发光效率可达15%。
5.2 磷化镓
5.3 磷砷化镓
• LED external quantum efficiency ext ( * internal quantum efficiency
int
# of photonsemittedfromactiveregion per second # of electrons injectedinto LED per second
5.6 铟镓氮
• InGaN为直接带隙材料，带隙 从1.95(636.6nm)~3.4 （365nm）eV。 • AlGaInN的带隙扩大到6.2eV， GaN化合物是目前短波长LED 最成功的材料体系。 • 白光LED：InGaN蓝光芯片涂 覆YAG黄色荧光粉产生白光。
• III族氮化物能在很高的位错密度下仍能有高的内量子效率。 • 由于同质衬底的获取成本较高，一般使用异质衬底。广泛 使用的蓝宝石衬底晶格失配为16%，须要引入缓冲层技术以 获得高质量的外延层
ext intextraction
):
* light extraction efficiency
extraction
# of photonsemittedintofreespace per second # of photos emittedfromactiveregion per second
5.6 铟镓氮
衬底 晶格 失配 （%）
0
热应力 失配 （%）
0
优点
缺点
尺寸难以扩大，成本非常 高，背景载流子浓度较高 失配较大，缺陷较高，热 导系数低，6’’以上衬底难 以获得 衬底成本较高
GaN
同质外延，晶体质量最高 熔点高，化学性能稳定，晶体质量 高，成本相对较低 高导热特性，缺陷密度略低于蓝宝 石 硅材料晶体质量高，成本低, 良好的 导电，导热性，尺寸大，硅加工工 艺技术成熟，有可能与硅器件集成 结构上与GaN相似，失配最小，热 导率高，绝缘性能好，生长高质量 AlGaN薄膜
Aixtron 2400G3HT MOCVD系统
蓝宝石
16 3.5 -16.9
-34 25 54
6H-SiC Si
失配非常大，高的位错密 度，晶体质量差
AlN
2.4
25
尺寸小于1’’,成本非常高
5.6 铟镓氮
• GaN的n型杂质是Si，P型杂质是Mg。但是，Mg在NH3的 作用下形成Mg-H络合物，降低了P型GaN的导电性，一般采 要用热退火的方式进行活化。 • AlGaInN材料体系主要采用MOCVD来生长
5.4 镓铝砷
• Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时 由直接跃迁变成间接跃迁。 • GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格 失配的问题很小 • 最佳发光效率在640~660nm之间，相应的 x=0.34~0.4，内量子效率在50%左右。 • 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/PGa0.65Al0.35As/P-Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到 16%，发光强度5cd。 • 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧 化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。
5.5 铝镓铟磷
• 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金 时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 • (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相 匹配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 • 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时， 增加x，可使其发光从红扩展到绿 • AlGaInP材料采用MOCVD系统生长 •AlGaInP系材料是目 前高亮度红光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和 黄光 (590 nm)LED产 品的主要体系
第五章 半导体发光材料体系
5.0 半导体发光材料的条件
成为半导体发光材料的条件：
• 高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材 料为主 • 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 1239 .5 (nm) hv(eV ) • 直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 • 可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结 构。
5.1 砷化镓

Fra Baidu bibliotek
GaAs为闪纤矿结构，直接带 隙半导体，带隙宽度1.42eV 缺陷主要是位错和化学计量比 偏离造成的缺陷。镓空位对发 光效率的影响很大，氧和铜是 重要的有害杂质。
阴极射线致发光（Schubert, 1995）


液相外延时，高温下Si占据Ga 形成施主，低温下Si占据As形 成受主，发光峰值为940nm。
• GaAs1-xPx的外量子效率随x增加而减小，辐 射波长随x变短，相对视见函数增加，使亮 度增大，最佳值为x=0.4，峰值波长 650~660nm
5.3 磷砷化镓
• 在GaAs衬底上生 长GaAs0.6P0.4， 晶格失配为1.5%， 须要生长组分渐 变的过渡层。 • 引进等电子陷阱杂质氮，并采用GaP作为衬底，可 使GaAs1-xPx（x>0.45）材料发光效率大为提高 • Craford等人开发GaAs0.35P0.65：N/GaP峰值波长 630nm红光LED， GaAs0.15P0.85：N/GaP峰值波长 580nm黄光LED • GaAsP材料的方法主要是气相外延