AIGaInP系LED工艺进展分析

郑元宇

摘 要：从外延工艺和芯片工艺上，对AIGaInP系LED在提升外量子效率的各种方法做了分析，探讨了各种工艺目前存在的优势和缺点。以期为GaAs基AIGaInP LED的发展提供理论依据。

关键词：AIGaInP LED；GaAs；外延工艺；芯片工艺

中图分类号：TN383 文献标识码：A

0.引言

LED从投入市场到现在已有40多年的历史。20世纪80年代，出现了液相淀积LED的制作技术，使LED的性能得到了一次提升。90年代，采用金属有机化学气相沉积系统（MOCVD），使LED的性能得到了飞跃。AlGaInP系LED的技术改进主要围绕着如何提升LED的发光效率进行研究。目前影响AlGaInPLED性能的主要原因是外量子效率低，人们已研究各种方法提升AlGaInP发光二极管的外量子效率，例如DBR结构、倒装结构、表面粗化、倒金字塔、ITO电流扩展结构等。这些芯片工艺提升外量子效率方法也在企业生产中取得较大进展，但也存在各种瓶颈，工艺实现起来存在困难。本文针对这些方法进行分析，为后续AIGaInP系LED的工艺发展提供理论依据。

1. AIGaInP LED外延工艺分析

1.1 能带结构分析。（AlxGa1-x）1-yInyP的材料里，通过对In的摩尔组分y进行调节，能使与GaAs的衬底进行较好匹配。当y=0.5，（AlxGa1-x）1-yInyP和GaAs的衬底能够进行更好的晶格匹配。目前商业中采用的红光的LED多是采用在GaAs衬底上使用MOCVD生长（AlxGa1-x）0.5In0.5P作为有源层。有源区（AlxGa1-x）0.5In0.5P的直接带隙变化范围从1.9eV（x=0）到2.23eV（x=0.543），对应的发射波长从650nm到550nm，也可以制备出黄绿光到红光波段的LED。MOCVD技术应用到AIGaInP LED的生产中是LED制作技术发展的一大进步，使LED的性能得到了很好的提升。目前在各个企业里，制备黄绿光到红光波段的LED，有源区一般采用（AlxGa1-x）0.5In0.5P材料，得到良好的效果。

1.2 AIGaInP LED的外延层结构分析。传统的GaAsP LED的外延层结构相对比较简单，其功率和各方面性能都比较低。AIGaInP LED在外延层结构设计上更加复杂，同时较为复杂的结构层设计也为AIGaInP LED带来了更好的性能。目前常见的AIGaInP LED外延层结构一般包括有衬底、分布布拉格反射层（DBR反射层）、NP限制层、电流扩展层等。

衬底采用GaAs衬底，其中GaAs衬底的选择至关重要，良好的衬底是决定能否外延出高质量的前提条件，目前一般选择衬底掺杂浓度介于（0.5-5）×1018cm-3，位错密度EDP<5000的衬底。另外衬底质量影响外延层的表面，不合格衬底在外延后，表面出现红斑和白斑现象，这些外延片制成的芯片，质量上存在问题，直接影响外延良率。因此，良好的衬底选择是制备高质量LED的重要条件。

分布布拉格反射层（DBR）结构设计主要是通过在窗口层以及活性层与衬底之间增加两种材料，这两种材料的折射率不同，这种设计被称为分布布拉格结构设计。布拉格反射层一般是采用AlAs/AlGaAs，将其设置在LED的衬底与有源层之间，然后可以实现光的反射。通过研究表明，采用布拉格反射层结构设计可以明显提升光线射出率。布拉格反射层结构可以通过MOCVD在外延中生长，而无需其他的加工步骤，因此这种设计的成本较低，而且使用方便。同时由于这种设计提出的历史较为久远，因此技术相对比较成熟。国内对于这种技术的应用相对比较广泛，因此在商业生产当中应用也很普遍。但是这种设计对于光的反射要求较高，一般只对特定角度的光进行反射，例如垂直角度与小角度的光线，因此这种设计对于大角度的光反射效果较差，仍然会丧失许多光能。这需要进一步地对DBR的结构进行研发，对后续提升外量子效率是个重要方向。

电流扩展层目的是为了达到更高的电流注入。具有高面电导和高透明的厚GaP电流扩展窗口层，可以使电流均匀流过结，以克服p型（AlxGa1-x）0.5In0.5P面电阻高导致的从电极注入的电流主要集中在电极下面流过结，发光效率低的缺点。对于GaP的厚度，一般工艺上要求越厚，电流扩展效果越好，但是在一些芯片工艺提升亮度的要求下，并非GaP厚度要求越高越好，这需要进一步配合芯片制程来进行研发外延的GaP厚度。

2. AIGaInP LED芯片工艺分析

2.1 倒装结构设计。一般来说，为了降低光线在GaAs衬底上的吸收流失，可以采用倒装结构，芯片工艺主要是将吸收光的GaAs衬底剥离，然后把外延层重新键合在无吸收的Si衬底上。当衬底生长外延结构层以后，用化学腐蚀的方式去除衬底，再与外漏的外延层连接。这种结构设计有着较为良好的电扩展性，通过这种Si衬底，大大增加了出光率，提高LED的外量子效率，且出光效果更加均匀。该工艺重点是需要去除原来吸收系数较大的GaAs衬底层，与Si基板进行键合，在企业中工艺难度较大，主要表现在工艺流程多、复杂，制备出芯片成品良率低，成本高。因此该方法提升外量子效率，还需要进一步稳定工艺流程，提升良率，降低成本。

2.2 粗糙化結构设计。这是一种较为简洁的提高LED外量子效率的设计，由于光在内部不断发生反射，直到在界面以小于临界角的角度射出，因此采用粗糙化结构设计将光在内部的反射条件全部破坏，外量子的效率就会被显著提高。这种结构设计可以需要对LED表面进行腐蚀，从而实现粗糙化结构设计，可以使LED的外量子效率达到30%以上。

粗糙化结构设计一般是在LED组件上进行粗糙化操作，使其表面具有相对较为规则的凹凸性，所以这种设计有两种操作方式，一种是通过在LED组件内部进行粗糙化设计，另外一种是在LED组件上方进行粗糙化设计，同时在其背面设计一个反射层，这样的设计可以使LED的外部量子效率达到40%以上。

通过表面粗糙化处理进行结构设计，主要是采用对介面进行打毛的方式让部分反射光能够通过一种散射的方式射出，从而使外量子效率提高。但是这种方式是直接对LED的表面进行处理，因此对于透明电极会造成危害，同时这种处理方式难度也较高，因此一般使用较少。

2.3 改变晶粒外形结构设计。由于LED的晶粒其外形一般多以一种立方体的形式展现，而这种形状下的截面呈相对平行状态，因此光在其中会全部发生反射，从而造成了光被有源层的吸收。在这种设计下，许多光会被转化成热能消散。

改变晶粒外形的结构设计就是建立在这种基础上的一种设计，是利用一种特殊的刀片将LED制作成为一种倒金字塔型的形状，这种形状的LED设计当中，光线会在侧内表面发生折射，然后反射到其上表面上，然后再以一种低于临界值的角度射出，与此同时，其他大于临界值的光则是从侧面射出。光在内部传递的路程会被缩短，同时通过这种设计，光可以高效地被引导出来。这种设计下，外量子效率可以实现50%的保留，发光效率非常高。

2.4 采用ITO电极结构。在外延结构里，GaP主要用于电流扩展，常规芯片工艺中，GaP的厚度越厚，电流扩展效果越好。在该工艺里，电流从电极注入，往GaP层扩展，反射光会受到电极阻挡，降低发光效率。为了提升亮度，人们研究采用了ITO作为电极，并在表層设计一层电流阻挡层，目的为了使得电流能往电极周围扩展，电流更多地注入到电极周边下面的GaP区域，电流密度更高，发光效率越好，研究表明当GaP越厚，电流仍会沿着电极下面扩展，产生的光被电极遮住，无法出射。因此，为了配合芯片ITO工艺制程，在外延结构里，将GaP厚度设计在合理的范围内，亮度最亮。该方法在企业里得到较大的影响，芯片工艺相对简单，且良率较高。

结语

对于LED的技术改造，如何提升其外量子效率，我们做了许多努力。本文提到的外延工艺和芯片工艺设计方法虽然已经实现LED外量子效率的提升，但仍然还有很大的提升空间，LED的技术发展仍然有很长的路要走。在LED技术不断进步下，在研发提升外量子效率的同时也会带来许多其他技术性问题，企业要想实现高质量LED生产和盈利，需要将这些技术科学、有效地应用到LED生产中。实现研发高效转量产，这是未来LED发展当中的重要课题。

参考文献

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[2]宋昌斌，仇登高，王军喜，等.LED光源在封闭循环水养殖业的应用分析[J].照明工程学报，2013（S1）：127-132.