GaAs基AlGaInP发光二级管亮度提升研究

郑元宇

摘要：文章采用VEECO型MOCVD外延了GaAs基AlGaInP发光二级管，通过外延中各层结构优化来提升亮度。研究表明，采用三个复合中心结构的DBR、最佳NP厚度比、应变结构的MQW、最佳GaP厚度，能更大幅度提升LED的亮度。制备的外延片制作成6mil*6mil尺寸的芯片，采用20mA测得轴向光强为120.6mcd，这与常规结构10mil*10mil的亮度一致。

关键词：AlGaInP；亮度提升；复合DBR；发光二级管；结构优化 文献标识码：A

中图分类号：TN383 文章编号：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具有较宽直接带隙，覆盖了560～650nm的可见光波长，以（AlxGa1-x）0.5In0.5P材料作为有源区的LED具有较高的内量子效率，且与GaAs衬底晶格完全匹配，是制备LED的优选材料。目前影响AlGaInP LED性能的原因主要是外量子效率低，人们已研究各种方法提升AlGaInP发光二极管的外量子效率，例如倒装结构、透明衬底、表面粗化、倒金字塔等，这些通过芯片工艺提升亮度虽然在实验阶段并取得突破性进展，但在公司量产过程中仍存在较大的瓶颈，工艺难度实现起来较为困难。如今在激烈的市场竞争中，企业为了提升竞争力，需要不断降低成本，经常通过缩小芯片尺寸提升单片外延片产出的芯粒。芯片尺寸不断的缩小，亮度会不断降低。因此在目前的竞争形势下，有必要针对亮度的提升做进一步研究。

本论文采用了VEECO型MOCVD设备外延高亮度AlGaInP红光二极管，研究分析常规AlGaInP外延结构中不同结构层对亮度的影响。从外延的角度来提升亮度。

2 AlGaInP LED外延结构制备

以高纯氢气（H2）作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、砷烷（AsH3）、磷烷（PH3）分别作为源，用乙硅烷（Si2H6）、二茂镁（Cp2Mg）分别作为N、P型掺杂剂。方法如下：在GaAs衬底上，首先通入AsH3，温度上升至700℃，2min，反应室压力设定60 Torr，对GaAs表面进行脱氧；然后在GaAs衬底上生长AlGaAs/Al0.5Ga0.5As DBR层，通入Si作为掺杂剂；接着在DBR层上生长N-Al0.5In0.5P层，通入Si作为掺杂剂；在N-Al0.5In0.5P上生长（Alx1Ga1-x1）0.5In0.5P/（Alx2Ga1-x2）0.5In0.5P多量子阱（MQW）层；在MQW层上生长P-Al0.5In0.5P层，通入Mg作为掺杂剂；在P-Al0.5In0.5P层上生长过渡层；最后在过渡层上生长电流扩展层GaP，通入Mg作为掺杂剂。图1为LED器件的结构示意图：

3 外延结构层对亮度影响研究

首先将常规结构外延片分成三部分，并制备成不同尺寸的芯片，样品1尺寸10mil*10mil，样品2尺寸8mil*8mil，样品3尺寸6mil*6mil。将三个样品在20mA条件下测试轴向光强，样品1的亮度为140.3mcd，样品2的亮度为123.7mcd，样品3的亮度为90.2mcd。发现随着尺寸缩小，芯片的亮度呈现递减趋势，当芯片尺寸小于6mil*6mil时候，轴向光强低于100mcd，因此需要进一步提升亮度。

3.1 复合DBR提升亮度

采用复合DBR，即由不同反射中心波长组合而成的结构，解决了传统DBR对大倾角入射光反射率小的问题，进一步提升出光效率。在复合DBR的研究中，报道较多的是采用两个不同反射中心波长的复合DBR。我们在此基础上进一步研究三个不同反射中心波长组合而成的复合DBR，它更大幅度提升了AlGaInP红光二级管的出光效率。

DBR的反射中心波段分为三个波段，反射中心波长分别在630nm、680nm和730nm。图2是这三个样品结构示意图。

经过该结构设计的DBR，制备成芯片6mil*6mil芯片，在20mA条件下测试的轴向光强为103.4mcd，与传统结相比，亮度提升约14.6%。

3.2 N-AlInP和P-AlInP厚度提升亮度

在LED结构中，N型层和P型层是提供电子和空穴的主要层，这两层的厚度及厚度比对亮度的影响较大。研究表明，N型层的厚度控制在0.4～0.7um之间，P型层厚度控制在0.6～1.0um之间亮度最佳。N型层和P型厚度偏高或偏低，都会对亮度产生较大影响。另外，P型层厚度/N型层厚度对亮度影响较大，实验表明，当这两层厚度比控制在1.3～1.6之间，亮度最佳。本文通过实验发现，当N型层厚度0.5um，P型层厚度在0.7um，比值1.4时，并在3.1的DBR結构基础上制备的外延片，制备成6mil*6mil尺寸的芯片，在20mA条件下测试的轴向光强为110.6mcd，与常规结构比，亮度提升约22.6%。

3.3 MQW提升亮度

常规结构的LED的量子阱中，量子阱发光所选取的材料是（AlxGa1-x）0.5In0.5P，量子垒（AlyGa1-y）0.5In0.5P。而本文采用具有张应变结构的量子垒（AlyGa1-y）0.4In0.6P，与量子阱之间产生具有一定应变的，通过应变提升内量子效率，从而提升亮度。该结构的外延，制备出6mil*6mil尺寸的芯片，测得亮度为125.6mcd，更进一步提升亮度。为了更好地发挥应变量子阱结构，量子阱的宽度要控制在5～10nm之间。

3.4 GaP厚度提升亮度

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，如图3（1）所示的常规工艺中电流扩展示意图。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，并在表层设计一层电流阻挡层，目的是为了使电流往电极周围扩展，电流更多的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，如图3（2）所示。然而这种结构要求的GaP厚度并非越厚越好，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厚度设计为4～5um，亮度最亮。该结构制备出6mil*6mil尺寸的芯片，测得亮度为141.8mcd，大幅度提升亮度。

研究发现，通过以上的各层结构的设计和研究，可制备出6mil*6mil尺寸的芯片在20mA的条件下，测得芯片轴向发光亮度在141.8mcd，这与常规结构外延片制备10mil*10mil尺寸芯片的亮度一致，极大地提升了市场竞争力。

4 结语

本论文研究常规AlGaInP LED外延结构中，各层对亮度的影响。研究表明，通过了三个复合中心结构的DBR、最佳的NP厚度比、应变量子阱和量子垒、最佳的GaP厚度，能更大地提升LED的亮度。制备的LED在6mil*6mil的芯片尺寸下，采用20mA测得的轴向发光强度达141.8mcd，这与常规结构10mil*10mil的亮度基本一致。通过该外延结构，芯片制程可以通过缩小芯片尺寸提升单片外延片的芯片数量，提升市场竞争力。

参考文献

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（责任编辑：黄银芳）