algainp发光二极管

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1、第五章AlGaInP发光二极管Ⅰ　　导言自从60年代初期GaAsP红色发光器件小批量出现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。最早发展包括用GaAs1-xPx制成的同质结器件，以及GaP掺锌氧对的红色器件，GaAs1-xPx掺氮的红、橙、黄器件，GaP掺氮的黄绿器件等等。到了80年代中期出现了GaAlAs发光二极管，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，使LED的发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19

2、90年，Hewlett-Packard公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn材料为基础的新型发光二极管。由于AlGaIn在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。简单的同质结器件是利用氢气相外延生长GaAsP层，或利用液相外延生长GaP层，通过掺入杂质如Zn、Te产生pn结,对于GaAsP器件，由于在GaAs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

3、题，用这种材料做成异质结器件不大可能。而GaAlAs和AlGaIn可长成晶格匹配的异质结器件（在GaAs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，通过改变铝合金组份，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质结和异质结LED外延结构图。第72页共72页图1.使用不同材料的各种发光二极管(LED)例子:(a)典型的GaAsP器件;(b)单异质结GaAlAs器件;(c)GaAlAs吸收衬底(AS)双异质结(DH)LED;(d)GaAlAs透明衬底DHLED;(e)吸收

4、衬底ALGaInPDHLED。由于含铝气体对于石英容器具有腐蚀性，普通的气相外延不能够生长含铝合金。对于AlGaAs材料，通常采用液相外延技术，特别对于发红光的器件，在液相外延过程利用在Ga溶液中发生的消氧效应，可以制成内量子效率达到50%，波长约650nm的发光二极管。对于AlGaInP发光二极管，由于在溶液中铝分离，液相外延方法不是一种合适的方法，对于(AlxGa1-x)0.5In0.5P(晶格和GaAs衬底匹配)以及掺铝较少的AlGaAs红外发射器件，使用金属有机化合物气相外延技术（OMVP

5、E）。也可以利用分子束外延生成优质的AlGaIn第72页共72页P材料和器件，尤其是激光二极管。然而，就制造OMVPEAlGaInP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AlGaInP发光二极管实现了批量生产（对于AlGaInGpOMVPE生长的完整讨论见第四章），这主要是因为OMVPE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AlGaInPLED标志着这种生产技术已经真正使用于光电子器件

6、的批量生产。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控制从而产生一个复杂的异质结器件。过程的灵活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（这种反射器光从吸收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OMVPE相结合以产生厚的窗口层，还可以利用化合物半导体晶片键合技术用一个透明的GaP衬底取代原先不透明的GaAs衬底从而完全消除衬底的吸收。这些改进正在被用于AlGaInP发光二极管的制造从而获得尽可

7、能高的发光效率。本章重点介绍优质AlGaInPLED器件的发展和制造，描述AlGaInPLED激活层的设计，AlGaInP合金材料的性质。其次讨论为了提高光输出LED结构的特殊部分，包括电流扩散层，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，透明衬底的晶片键合等技术，接着简单介绍AlGaInPLED晶片的制造过程，讨论AlGaInP器件的性能，包括效率，颜色，电性能及可靠性等。最后论证AlGaInPLED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

8、础外)，AlGaIn第72页共72页P合金具有最大的直接带隙，相应有从红到绿的发射光谱，这使得它成为制造激光器和直接带隙LED最具吸引力的材料。由于这些直接带隙发射器的效率，存在大大超过多数普通间接带隙发射器（如GaAsP，掺氮的GaAsP（GaAsP：N），GaP，掺氮的GaP（GaP：N）的可能，从而促进了对AlGaInPLED的研究。最早用这种材料制成的光发射器是由块状和异质结InGaP组成的，在AlxGa1-xAs中Ga代替Al的能力导致具有较大带隙四元合金（AlxGa1-