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1、第五章AlGaInP发光二极管I导言自从60年月初期GaAsP红色发光器件小批量消逝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。最早进展包括用AsP制成的同质结器件，以及aP掺锌氧对的红色器件，1-xxGaAsP掺氮的红、橙、黄器件，GaP掺氮的黄绿器件等等到了80年月中期消逝TGaAlAs发光二1-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LE使的进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司和东芝公司分别提出了一种以IGaln材料为基础的新型发光二极管。由于AlGal
2、n在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率LED的应用得到大大进展这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等，）户外可变信号，高速大路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。简洁的同质结器件是接受氢气相外延生GaAsP层，或接受液相外延生长aP层，通过掺入杂质如Zn、Te产生pn结，对于GaAsP器件，由于在SaAs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。GBlAs和AlGaln可长成晶格匹配的异质结器件（在aAs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，通过转变铝合金组份，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
3、质结和异质结LED外延结构图。图1使用不同材料的各种发光二极ILED）例子:（a）典型的GaAsP器件;（b）单异质结GaAlAs器件；（c）GaAlAs吸取衬底（AS）双异质结（DH）LED;（d）GaAlAs透亮衬底DHLED;（e）吸取衬底ALGalnPDHLED。由于含铝气体对于石英容器具有腐蚀性，一般的气相外延不能够生长含铝合金。对于s材料，通常接受液相外延技术，特殊对于发红光的器件，在液相外延过程接受溶液中发生的消氧效应，可以制成内量子效率达到0%,波长约650nm的发光二极管。对于AlGalnP发光二极管，由于在溶液中铝分别液相外延方法不是一种合适的方法对于（AlGa）InP（晶
4、格和GaAs衬底x1-x0.50.5匹配）以及掺铝较少的VlGaAs红外放射器件，使用金属有机化合物气相外延技OMVPE）。也可以接受分子束外延生成优质的lGalnP材料和器件，尤其是激光二极管然而，就制造OMVPEAlGalnP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AlGalnP发光二极管实现了批量生产对于AlGalnGpOMVPE生长的完整争辩见第四章）这主要是由于）MVPE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AlGalnPLEI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
5、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把握从而产生一个简洁的异质结器件。过程的灵敏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（这种反射器光从吸取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MVPE相结合以产生厚的窗口层还可以接受化合物半导体晶片键合技术用一个透亮的GaP衬底取代原先不透亮的aAs衬底从而完全消退衬底的吸取。这些改进正在被用于AlGalnP发光二极管的制造从而获得尽可能高的发光效率。本章重点介绍优屍lGalnPLED器件的进展和制造，描述AlGaInPLED激活层的设计,AlG
6、alnP合金材料的性质。其次争辩为了提高光输ED结构的特殊部分，包括电流集中层，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，透亮衬底的晶片键合等技术，接着简单介绍AlGaInPLED晶片的制造过程，争辩lGalnP器件的性能，包括效率，颜色，电性能及牢靠性等。最终论证AlGalnPLEI器件的市场和前景。II激活层设计相对于其他III-V半导体材料(除了以氮为基础外)，AlGalnP合金具有最大的直接带隙，相应有从红到绿的放射光谱，这使得它成为制造激光器和直接带最具吸引力的材料由于这些直接带隙放射器的效率字在大大超过多数一般间接带隙放射(1如GaAsP,掺氮的GaAsP(
7、GaAsP：N),GaP,掺氮的GaP(GaP：N)的可能，从而促进了对lGalnPLED的争辩。最早用这种材料制成的光放射器是由块状和异质结nGaP组成的，在AlGaAs中Ga代替Al的力气导致具有较大带x1-x隙四元合金AlGa)InP的消逝且可以形成晶格匹配的异质结，由于P和GaP有几乎相同的晶格x1-xy1-y常数(分别为5.4510A和5.4512A),可以很简洁的通过调整四元合金电n)的克分子含量来实现晶格匹配。事实上，和每种IHV半导体发光化合物一样AlGaInPLED为了获得高的发光效率，必需有低的晶体缺陷密度oGaAs是唯一可和AlGa)InP实现晶格匹配的二元化合物半导体衬
8、底(晶x1-xy1-y格常数为5.6533A),晶格匹配发生在Y0.5以上的整个组分范围。此外(AlGa)InP合x1-x0.51-0.5金和GaAs的热膨胀系数特殊接近这使得热循环(从室温到800C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PLED。已经在GaP,GaAs和GaAsP假衬底上制成晶格不匹配的同质结GaPLED。此外，已经在GaAsP假衬底上制成0.70.3晶格不匹配的AlGa)InPLED。尽管接受了各种各样的晶体生长技术，材料组份和器件设x1-x0.650.35计，但是，和在GaAs上生长晶格匹配的(lGa)InP相比，由于这些
9、器件包含了许多晶体位x1-x0.50.5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亮的底上用气相外延方法生长的nGaP同质结LED,590nm处，其最高效率可达到丸lm/A(外量子效率).9%)。虽然这些器件的效率是商业GbAsP：NGaPLE啲34倍，但是，和晶格匹配最好的AlGa)InP器件比较仍差一个等级。x1-x0.50.5能带结构a.带隙能量(AlGa)InP合金和GaAs晶格匹配导致最优质晶体的消逝这而得到效率最高的ED材料。x1-x0.50.5为了得到最佳的LED结构设计，必需了解(AlGa)InP合金的能带结构学问已经在(AlGa)x1-x0.5
10、0.5x1-xInP合金中观看到合金组份和带隙能量之间关系的特殊行达到190mV的时候这种行为削减。0.50.5这种现象被解释为在III族衬底血和Ga(或Al)原子的排列导致沿111晶面消逝一个单慝InP)GaP(或InPAlP)超点阵。在AlGaInP中原子的排列在第四章中详细争辩为初期AlGaInPLED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UGaInP合金的光致发光光谱宽度较有序合金窄。因此，优质的MInPLED1常是用无序材料制造的。无序合金
11、通常是在无确定晶向的衬底上生改长变，外延生长条件或两种方法同时使用而得到，本章余下部分集中争辩由无序合金制造的InPLED器件。对于无序的AlGa)InP合金，300K时能隙与合金组份的关系如图所示。这些关系是在静x1-x0.50.5压条件下对AlGa)InP晶体进行低温2K)测量得到的。考虑到00K时带隙的变化这x1-x0.50.5带的数据约削减70meV，因此，直接【)带隙随组分的变化由下式给出：E(x)=1.91+0.61x(eV)(1)同样，间接X)带隙削减70meV,结果，300K时带隙和组分之间的关系由下式给出：E(x)=2.91+0.085x(eV)(2)x图2.由低温(2K)压
12、力测量得到的无序AQGa)InP合金室温(300K)时带隙能量及相应的x1-x0.50.5带和X带放射波长与合金组份的关系。室温时，直I接接交点消逝在合金组份=0.53时,对应的放射波长为555nm。图2的能隙关系表明AlGa)InP合金由550nm到650nm是直接带，此外，这些关系表明x1-x0.50.5和X能隙随组分的变化是线性的。这和迄今为止报道的试验数据是相全都这的种。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。不同争辩者测量得到的关系式是全都的。关系在合金组份X=0.53时，在2.23eV(550nm)rx处消逝r-X交
13、叉点，这TOOK交叉组份和高压带隙得到的数据=0.58以及光谱学测量得到的数据x=0.5吐0.02是接近的。此外，交叉波长55nm与用(AlGa)InP合金材料制造的最短波x1-xO.5O.5长的LED相全都。同样地，在(AlGa)InP合金观看到77K时，最短放射波长消逝在激活区组x1-x0.50.5份x0.56处。因此，大量数据表明：交叉点消逝在合金组份范围5到0.6处，这个结果和等式(1)和(2)相全都。等式(2)E关系式和以前其他工作者求得的结果以及隣，GaP,InP应用Vegard定律得X到的结果有很大不同。这些数据结合等式)(E关系式表明当c=0.7时，-X交叉能量为2.3V,这意
14、味着在等式()中，x导带削减，能隙较低，交叉能量相应削减(ieV。这个2.23V的间接交叉能量限制了可见光谱在深绿部份的放射效率果当合金组分由黄入590nm)转为黄绿时，LED的效率大大降低，这和第部分第节所争辩是一样的。此外X最小值处能隙能量较低增加了获得充分的束缚电子的困难见第II部分第2节)。理论上已经求得00K时，GaInP合金L最小值位置在最小值以上10(200meV处。进0.50.5一步的理论争辩估量在=0.52时,L带在带上方40meV处。未有试验可以证明在AlGa)Inx1-x0.50.5P中L最小值位置的存在。静高压测量表明在整个合金范围，位于能隙上方最小值，与x=0时比较，
15、至少有120meV的偏差。b.载流子有效质量载流子有效质量在ED设计中是很重要的，由于它们准备了能级密度，因此准备了异质结激活层和束缚层中载流子在直接带和间接带中的分当布直。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，这些值变得特殊重要带中能级密度电子有效质量和合金组分之间的关系由下式给出：24)xm(3)e0目前没有AlGa)InP，InP,或AlP在X带中电子有效质量的资料。然而，带有效质量x1-x0.50.5和阳离子种类无关，这样，可以通过扭中X带能级密度电子有效质量近似求得：m(x)=m(GaP)=0.82m(4)exex0重空穴和轻空穴有效质量可由下式给
16、出：m(x)=(0.62+0.05x)m(5)m(x)=(0.11+0.03x)m(6)依据这些值，可由关系5mh(x)=mhh(x)3/+mlh(x)3/23/2求得有效空穴质量。留意在人卩)InP系统中有效束缚能级载流子质量比在GaAs系统要高得多，这些参数对于ED器件的0.50.5x1-x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注入和束缚一样重要C.能带偏移异质结能带偏移学问对于光电器件结构的恰当设计是很重要用不同技术在AlGa)Inx1-x0.50.5P中测到能带的偏移这些技术包括低温PL分析，吸取测量，电容一电压曲线，静高压测量和内部光放射。可以通过测量导带和价带的偏移求得能带的偏然移后，用能隙关系学问求得其他带的偏移。图3画出从许多争辩人员处得到的导带偏楼EC)和价带偏移(Ev)，其中已由能隙关系
