GaAs基AlGaInP發光二級管亮度提升研究

鄭元宇

摘要：文章采用VEECO型MOCVD外延了GaAs基AlGaInP發光二級管，通過外延中各層結構優化來提升亮度。研究表明，采用三個復合中心結構的DBR、最佳NP厚度比、應變結構的MQW、最佳GaP厚度，能更大幅度提升LED的亮度。制備的外延片制作成6mil*6mil尺寸的芯片，采用20mA測得軸向光強為120.6mcd，這與常規結構10mil*10mil的亮度一致。

關鍵詞：AlGaInP；亮度提升；復合DBR；發光二級管；結構優化 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN383 文章編號：1009-2374（2017）01-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.013

1 概述

四元合金材料（AlxGa1-x）0.5In0.5P具有較寬直接帶隙，覆蓋了560～650nm的可見光波長，以（AlxGa1-x）0.5In0.5P材料作為有源區的LED具有較高的內量子效率，且與GaAs襯底晶格完全匹配，是制備LED的優選材料。目前影響AlGaInP LED性能的原因主要是外量子效率低，人們已研究各種方法提升AlGaInP發光二極管的外量子效率，例如倒裝結構、透明襯底、表面粗化、倒金字塔等，這些通過芯片工藝提升亮度雖然在實驗階段并取得突破性進展，但在公司量產過程中仍存在較大的瓶頸，工藝難度實現起來較為困難。如今在激烈的市場競爭中，企業為了提升競爭力，需要不斷降低成本，經常通過縮小芯片尺寸提升單片外延片產出的芯粒。芯片尺寸不斷的縮小，亮度會不斷降低。因此在目前的競爭形勢下，有必要針對亮度的提升做進一步研究。

本論文采用了VEECO型MOCVD設備外延高亮度AlGaInP紅光二極管，研究分析常規AlGaInP外延結構中不同結構層對亮度的影響。從外延的角度來提升亮度。

2 AlGaInP LED外延結構制備

以高純氫氣（H2）作為載氣，以三甲基鎵（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）、砷烷（AsH3）、磷烷（PH3）分別作為源，用乙硅烷（Si2H6）、二茂鎂（Cp2Mg）分別作為N、P型摻雜劑。方法如下：在GaAs襯底上，首先通入AsH3，溫度上升至700℃，2min，反應室壓力設定60 Torr，對GaAs表面進行脫氧；然后在GaAs襯底上生長AlGaAs/Al0.5Ga0.5As DBR層，通入Si作為摻雜劑；接著在DBR層上生長N-Al0.5In0.5P層，通入Si作為摻雜劑；在N-Al0.5In0.5P上生長（Alx1Ga1-x1）0.5In0.5P/（Alx2Ga1-x2）0.5In0.5P多量子阱（MQW）層；在MQW層上生長P-Al0.5In0.5P層，通入Mg作為摻雜劑；在P-Al0.5In0.5P層上生長過渡層；最后在過渡層上生長電流擴展層GaP，通入Mg作為摻雜劑。圖1為LED器件的結構示意圖：

3 外延結構層對亮度影響研究

首先將常規結構外延片分成三部分，并制備成不同尺寸的芯片，樣品1尺寸10mil*10mil，樣品2尺寸8mil*8mil，樣品3尺寸6mil*6mil。將三個樣品在20mA條件下測試軸向光強，樣品1的亮度為140.3mcd，樣品2的亮度為123.7mcd，樣品3的亮度為90.2mcd。發現隨著尺寸縮小，芯片的亮度呈現遞減趨勢，當芯片尺寸小于6mil*6mil時候，軸向光強低于100mcd，因此需要進一步提升亮度。

3.1 復合DBR提升亮度

采用復合DBR，即由不同反射中心波長組合而成的結構，解決了傳統DBR對大傾角入射光反射率小的問題，進一步提升出光效率。在復合DBR的研究中，報道較多的是采用兩個不同反射中心波長的復合DBR。我們在此基礎上進一步研究三個不同反射中心波長組合而成的復合DBR，它更大幅度提升了AlGaInP紅光二級管的出光效率。

DBR的反射中心波段分為三個波段，反射中心波長分別在630nm、680nm和730nm。圖2是這三個樣品結構示意圖。

經過該結構設計的DBR，制備成芯片6mil*6mil芯片，在20mA條件下測試的軸向光強為103.4mcd，與傳統結相比，亮度提升約14.6%。

3.2 N-AlInP和P-AlInP厚度提升亮度

在LED結構中，N型層和P型層是提供電子和空穴的主要層，這兩層的厚度及厚度比對亮度的影響較大。研究表明，N型層的厚度控制在0.4～0.7um之間，P型層厚度控制在0.6～1.0um之間亮度最佳。N型層和P型厚度偏高或偏低，都會對亮度產生較大影響。另外，P型層厚度/N型層厚度對亮度影響較大，實驗表明，當這兩層厚度比控制在1.3～1.6之間，亮度最佳。本文通過實驗發現，當N型層厚度0.5um，P型層厚度在0.7um，比值1.4時，并在3.1的DBR結構基礎上制備的外延片，制備成6mil*6mil尺寸的芯片，在20mA條件下測試的軸向光強為110.6mcd，與常規結構比，亮度提升約22.6%。

3.3 MQW提升亮度

常規結構的LED的量子阱中，量子阱發光所選取的材料是（AlxGa1-x）0.5In0.5P，量子壘（AlyGa1-y）0.5In0.5P。而本文采用具有張應變結構的量子壘（AlyGa1-y）0.4In0.6P，與量子阱之間產生具有一定應變的，通過應變提升內量子效率，從而提升亮度。該結構的外延，制備出6mil*6mil尺寸的芯片，測得亮度為125.6mcd，更進一步提升亮度。為了更好地發揮應變量子阱結構，量子阱的寬度要控制在5～10nm之間。

3.4 GaP厚度提升亮度

在外延結構里，GaP主要用于電流擴展，常規芯片工藝中，GaP的厚度越厚，電流擴展效果越好，如圖3（1）所示的常規工藝中電流擴展示意圖。在該工藝里，電流從電極注入，往GaP層擴展，反射光會受到電極阻擋，降低發光效率。為了提升亮度，人們研究采用了ITO作為電極，并在表層設計一層電流阻擋層，目的是為了使電流往電極周圍擴展，電流更多的注入到電極周邊下面的GaP區域，電流密度更高，發光效率越好，如圖3（2）所示。然而這種結構要求的GaP厚度并非越厚越好，研究表明當GaP越厚，電流仍會沿著電極下面擴展，產生的光被電極遮住，無法出射。因此為了配合芯片ITO工藝制程，在外延結構里，將GaP厚度設計為4～5um，亮度最亮。該結構制備出6mil*6mil尺寸的芯片，測得亮度為141.8mcd，大幅度提升亮度。

研究發現，通過以上的各層結構的設計和研究，可制備出6mil*6mil尺寸的芯片在20mA的條件下，測得芯片軸向發光亮度在141.8mcd，這與常規結構外延片制備10mil*10mil尺寸芯片的亮度一致，極大地提升了市場競爭力。

4 結語

本論文研究常規AlGaInP LED外延結構中，各層對亮度的影響。研究表明，通過了三個復合中心結構的DBR、最佳的NP厚度比、應變量子阱和量子壘、最佳的GaP厚度，能更大地提升LED的亮度。制備的LED在6mil*6mil的芯片尺寸下，采用20mA測得的軸向發光強度達141.8mcd，這與常規結構10mil*10mil的亮度基本一致。通過該外延結構，芯片制程可以通過縮小芯片尺寸提升單片外延片的芯片數量，提升市場競爭力。

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（責任編輯：黃銀芳）