GaAs基AlGaInP發(fā)光二級(jí)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(fā)光二級(jí)管，通過(guò)外延中各層結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提升亮度。研究表明，采用三個(gè)復(fù)合中心結(jié)構(gòu)的DBR、最佳NP厚度比、應(yīng)變結(jié)構(gòu)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(cè)得軸向光強(qiáng)為120.6mcd，這與常規(guī)結(jié)構(gòu)10mil*10mil的亮度一致。

關(guān)鍵詞：AlGaInP；亮度提升；復(fù)合DBR；發(fā)光二級(jí)管；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN383 文章編號(hào)：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(jiàn)光波長(zhǎng)，以（AlxGa1-x）0.5In0.5P材料作為有源區(qū)的LED具有較高的內(nèi)量子效率，且與GaAs襯底晶格完全匹配，是制備LED的優(yōu)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(fā)光二極管的外量子效率，例如倒裝結(jié)構(gòu)、透明襯底、表面粗化、倒金字塔等，這些通過(guò)芯片工藝提升亮度雖然在實(shí)驗(yàn)階段并取得突破性進(jìn)展，但在公司量產(chǎn)過(guò)程中仍存在較大的瓶頸，工藝難度實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。如今在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，企業(yè)為了提升競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷降低成本，經(jīng)常通過(guò)縮小芯片尺寸提升單片外延片產(chǎn)出的芯粒。芯片尺寸不斷的縮小，亮度會(huì)不斷降低。因此在目前的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下，有必要針對(duì)亮度的提升做進(jìn)一步研究。

本論文采用了VEECO型MOCVD設(shè)備外延高亮度AlGaInP紅光二極管，研究分析常規(guī)AlGaInP外延結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)層對(duì)亮度的影響。從外延的角度來(lái)提升亮度。

2 AlGaInP LED外延結(jié)構(gòu)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(yīng)室壓力設(shè)定60 Torr，對(duì)GaAs表面進(jìn)行脫氧；然后在GaAs襯底上生長(zhǎng)AlGaAs/Al0.5Ga0.5As DBR層，通入Si作為摻雜劑；接著在DBR層上生長(zhǎng)N-Al0.5In0.5P層，通入Si作為摻雜劑；在N-Al0.5In0.5P上生長(zhǎng)（Alx1Ga1-x1）0.5In0.5P/（Alx2Ga1-x2）0.5In0.5P多量子阱（MQW）層；在MQW層上生長(zhǎng)P-Al0.5In0.5P層，通入Mg作為摻雜劑；在P-Al0.5In0.5P層上生長(zhǎng)過(guò)渡層；最后在過(guò)渡層上生長(zhǎng)電流擴(kuò)展層GaP，通入Mg作為摻雜劑。圖1為L(zhǎng)ED器件的結(jié)構(gòu)示意圖：

3 外延結(jié)構(gòu)層對(duì)亮度影響研究

首先將常規(guī)結(jié)構(gòu)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(gè)樣品在20mA條件下測(cè)試軸向光強(qiáng)，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(fā)現(xiàn)隨著尺寸縮小，芯片的亮度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，當(dāng)芯片尺寸小于6mil*6mil時(shí)候，軸向光強(qiáng)低于100mcd，因此需要進(jìn)一步提升亮度。

3.1 復(fù)合DBR提升亮度

采用復(fù)合DBR，即由不同反射中心波長(zhǎng)組合而成的結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)DBR對(duì)大傾角入射光反射率小的問(wèn)題，進(jìn)一步提升出光效率。在復(fù)合DBR的研究中，報(bào)道較多的是采用兩個(gè)不同反射中心波長(zhǎng)的復(fù)合DBR。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)一步研究三個(gè)不同反射中心波長(zhǎng)組合而成的復(fù)合DBR，它更大幅度提升了AlGaInP紅光二級(jí)管的出光效率。

DBR的反射中心波段分為三個(gè)波段，反射中心波長(zhǎng)分別在630nm、680nm和730nm。圖2是這三個(gè)樣品結(jié)構(gòu)示意圖。

經(jīng)過(guò)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的DBR，制備成芯片6mil*6mil芯片，在20mA條件下測(cè)試的軸向光強(qiáng)為103.4mcd，與傳統(tǒng)結(jié)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(jié)構(gòu)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(duì)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(huì)對(duì)亮度產(chǎn)生較大影響。另外，P型層厚度/N型層厚度對(duì)亮度影響較大，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)這兩層厚度比控制在1.3～1.6之間，亮度最佳。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N型層厚度0.5um，P型層厚度在0.7um，比值1.4時(shí)，并在3.1的DBR結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制備的外延片，制備成6mil*6mil尺寸的芯片，在20mA條件下測(cè)試的軸向光強(qiáng)為110.6mcd，與常規(guī)結(jié)構(gòu)比，亮度提升約22.6%。

3.3 MQW提升亮度

常規(guī)結(jié)構(gòu)的LED的量子阱中，量子阱發(fā)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(yīng)變結(jié)構(gòu)的量子壘（AlyGa1-y）0.4In0.6P，與量子阱之間產(chǎn)生具有一定應(yīng)變的，通過(guò)應(yīng)變提升內(nèi)量子效率，從而提升亮度。該結(jié)構(gòu)的外延，制備出6mil*6mil尺寸的芯片，測(cè)得亮度為125.6mcd，更進(jìn)一步提升亮度。為了更好地發(fā)揮應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)里，GaP主要用于電流擴(kuò)展，常規(guī)芯片工藝中，GaP的厚度越厚，電流擴(kuò)展效果越好，如圖3（1）所示的常規(guī)工藝中電流擴(kuò)展示意圖。在該工藝?yán)?，電流從電極注入，往GaP層擴(kuò)展，反射光會(huì)受到電極阻擋，降低發(fā)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(shè)計(jì)一層電流阻擋層，目的是為了使電流往電極周圍擴(kuò)展，電流更多的注入到電極周邊下面的GaP區(qū)域，電流密度更高，發(fā)光效率越好，如圖3（2）所示。然而這種結(jié)構(gòu)要求的GaP厚度并非越厚越好，研究表明當(dāng)GaP越厚，電流仍會(huì)沿著電極下面擴(kuò)展，產(chǎn)生的光被電極遮住，無(wú)法出射。因此為了配合芯片ITO工藝制程，在外延結(jié)構(gòu)里，將GaP厚度設(shè)計(jì)為4～5um，亮度最亮。該結(jié)構(gòu)制備出6mil*6mil尺寸的芯片，測(cè)得亮度為141.8mcd，大幅度提升亮度。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)以上的各層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究，可制備出6mil*6mil尺寸的芯片在20mA的條件下，測(cè)得芯片軸向發(fā)光亮度在141.8mcd，這與常規(guī)結(jié)構(gòu)外延片制備10mil*10mil尺寸芯片的亮度一致，極大地提升了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文研究常規(guī)AlGaInP LED外延結(jié)構(gòu)中，各層對(duì)亮度的影響。研究表明，通過(guò)了三個(gè)復(fù)合中心結(jié)構(gòu)的DBR、最佳的NP厚度比、應(yīng)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(cè)得的軸向發(fā)光強(qiáng)度達(dá)141.8mcd，這與常規(guī)結(jié)構(gòu)10mil*10mil的亮度基本一致。通過(guò)該外延結(jié)構(gòu)，芯片制程可以通過(guò)縮小芯片尺寸提升單片外延片的芯片數(shù)量，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）