ALGaInP 发光二极管.docx

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1、a.fttetT（l,11,）n.-.In5rP发光二极管通常工作在比较低的电流密度（VlSOMcnf）下，因而注入栽流子密度（VlXIOcm）较低。非同类异质结（即：N-P或n-P）增加了注入到蛟窄带隙材料的少数找流子，因而酒加了异质结构1.ED发光效率，对一个志向的N-P异质结，其中N层为宽带隙注入层，P层为窄带隙激活层的情形，电子/空穴注入比下式给出：式中Jc是注入电子和空穴密度：D,“1.r,K.,分别是少子扩散系数，少子扩散长度和掺杂密度；M.tn,分别为宽带隙N-束缚层和窄带隙P激活层电子（空穴）有效质量。能隙差（AEg）由束缚层和激活层带隙能量之差给出：AEg=Eg（束缚层）一E

2、g（活动层）（U）对于DH器件，激活层的厚度通常小于少数载流子在激活层的扩散长度，在这种状况下，等式6）中浜活层的厚度用激活层少数我流子扩散长度代替。同样可得到由一个宽带隙P-注入层和一个窄带隙n-激活层组成的P-n异质结空穴/电子注入比表达式.在这柠状况下，空穴/电子注入比由下式给出：空穴/电子注入比也受含有能隙差等式（三）的指数项支配，等式（】0）材料质量的性能。*1（AiAJ）.UnuP鼻及IHU子注入效率的计算(AU)活尾AlMIntP&XA(AlGtt)激活层（此处，电子被注入到激活层），因为电子的迁移率事实上超过空穴的迁移率，所以激活层校理。对于（A1.（1,IasP发光二极管，激

3、活层厚度小于12m,一般满意小于少数载流子扩散长度的条件。事实上.较厚的激活区可造成由较低的注入载流子密度（增加了非辐射复合效应）和激活层内部光汲取而引起的Ua）效率的削减。1.ED内量子效率由1.B）内部激活层辐射曳合率和总辐射复合率的比率确定.在激活层和束缚层内也和异质结界面一样,可能发生非辐射复合。已经在（AIGaj）图S1.在（Al1Ga1,JrP（X04）发光二极管中氯浓度（Na）和与其相关的一-Ife深能级浓度（心.）之间的关系（左）.在（AlJMM就H波长()电子树野IrAe(W)电子束傅率1-(JlJ)电子束傅弟e(eV)电子税率，1-(JJ)8900.210.990.180.

4、975700.130.83an0.55计算假嵬标准的激活层和M屋撑亲水平，且注入电子安度为29X10*c三(注入电4OA)j计算岐备注.的”拊废树层少刊愉成1.e为4”,少珏纣3为330.部分探讨工作集中在DH器件方面。然而，“薄”51.ED器件使较高的注入栽流子密度成为可能，因而可以得到效率更高的辐射复合。薄的激活层还可以削减UD的自汲取(这种自汲取使内量子效率降低)，这对于合理设计器件结构，使得光子在离开国前，反复多次通过激活层是很重要的(笫V部分第2.4节)。比外，运用量子体积效应(QSE),可以在不必增加铝组份的状况下缩短放射波长.量子井结构利用QSE缩短放射波长是(AltGa11)4

5、JnllPUD的优点，因为(A1.Ga1,).BlrkiPUD辐射效率前铝组份的增加而不规则削减比能带结构计算所预期要快(第W部分第1节)。因此,运用多层QW结构制迨60Onm(A1.GaQlohVP1.H),在那里运用QSE可使来臼DH激活层的放射波长缩短】2n11u这些骐器件的激活区由祓40A(AlsiGa15)InlnOiP势垒所隔开的50A(A1.iGakg)aJnuF井所组成。留意量子井中的量子能级和我流子有效质量成反比，使得AIGaInP器件较薄井的要求和类似的AIGaAS结构接近。当器件中井的数目由3增加到40时，(AltGa14)4,-,In,fP1.ED的效率随之漕加.这种行

6、为被认为是当井的数目增加时，栽流子俘获和束缚增加的结果。此外，光输出随井(和界面)数目的增加而增加已有两种材料胜利地被用来制作AIGalnP1.ED窗口层，即：GaP和GaAIAs。Hp公司和东芝公司的探讨人员分别对这些窗口的结构作了探讨.每种结构的窗口具有由层的几何结构和材料本身的物理性质所确定的唯一特性。由于以下缘由，AllGa11AS化合物是用来作为AlGalnP1.ED窗口材料的志向逸择。第一，AlXJa11AS可以实现重掺杂，从而维持较高的栽流子迁移率以实现高效率器件所须要的电流扩展。箕次，41.强人5在)(20.7时,由红到黄绿波长范围所放射的光是透亮的，且具有间接带隙，可使汲取造

7、成的损耗达到最小。第三，AlGaAS在全部Al成份(X)范围都能和GaAS衬底以及(A1X1“ImF结构晶格匹配，因此,在与AIGaInPDH相同的外是生长过程中。采纳OMVPE方法，可以较简洁增长成AIGaAS层。GaP也是作为窗口材料的艮好选择，和AlGaAS1.样，P型GaP可以实现重掺杂从而实现足够的电流扩展。它也是一种间接半导体，计于有意义的波长是透亮的。事实上，在低于60Onm的波长范围.GaP甚至比AIGaAS更透亮。然而，GaP的特点是它和GaAS村底以及(Al1Galt)(UIntF层有3.战的晶格失配。尽管在上束缚层和窗口层的界面处存在一个密集的位错网，仍旧可以在异质结的上

8、部生长GaP而不影响1.H)器件的内量子效率和牢靠性。幸而.位错保持束缚在GaP窗口层上面几个微米，不会朝下犷展进入器件内部，因而不致于在激活层引起非辐射复合。GaP层的透亮度和传导性同样不会受到位错的明显影响。GaP层可以在(AIGaQP双异质结生长之后，在OMVPE反应器中生长。然而，在HP结构中，一个厚的GaP层(50um)是在一个另外的反应器中，利用氢化物VpE生长的。这种分支的生长过程吸取了VpE过程狡为经济和GaP层在厚度超过20m时快速生长的优点。这些窗口层的电流扩展特性可以利用激光器中电流扩展的模式进行理解和比较。图7画出了一个具有窗口层的AlGaInP国的横截面简洁示意图。因

9、为器件具有时称性,可将其分为两半,只对图示器件右半部分进行探讨.图中左边电极事实上是芯片的中心。这种模式假定在金属的下方有一个恒定的电压（V.）和电流密度（J.），同时假定加在衬底上的电压也是常数。电极下面以外区域的电压可用下面表达式描述：E7.在窗口层运用电流扩展模式的RiGaInP管芯横威百.因为其时称性,只需对其一半进行探讨，这里画出的是右半抑分.式中1.是扩散长度，由下式给出：式中g是窗口层传导率，I是窗口层厚度，n是二极管志向系数（这里全部计算均假定是1.3）。表In给出不同材料和两杼不同掺杂类型的典型费数。利用表山参数可由等式（15）和（16）推出电流扩展曲级.图8绐出P型（八）和

10、n型(b)GaP1AletGaMs1A1.Un15P曲线。GaP,AlGaAs厚度是商业化器件的典型值。对于典型的DH器件JuIIJ凡这个值是IUnb绐出厚度5m的结果用作比较,结果说明利用AbjrzP作为电流扩展层是困雉的。inAaninjmmM*口或分P型n府，迁移率(&N.c)(c*)迁移率(&Nsec)GaPIXI(T62o-125AURmAs1X10*36110b151Akdntf510ff10110b211图8.在AlGUlnP国中不同窗口材料和厚度电流密度和该点到欧姆接触处距离之间的关系.图仃)为P型电流扩展层的转果，图(b)为n型电流扩展层的玷果.由图8（八）可见，厚度为IPm

11、的P型A1.ulnttH电流密度在电极旁边几个微米的范围内大大下降，工作在这种务件下的器件仅在金属电极边缘发光。把Al(IJnIP电流扩展层的厚度增加到5um有所改善，然而，由千外延生长技术的限制，不允许厚度超过这个点。利用7um厚的AkEa4iAS层可使性能得到较大改善，而利用50Um厚的GaP层可得到最好结果。在这种状况下，距离芯片边缘下面产生的光不行能通过在器件内部多次反射或通过芯片他面而放射出来。有关这些考虑将在下一节做更具体探讨.然而，有几种方法可以用来减小这一问题。这些方法包括阻挡电流干脆在电极下而流淌。强迫它从器件电极接触区外流过器件，最大限度削减电极下面产生的光。电流机挡可以通

12、过很多方法来实现一种可用于选择电流阻挡区的方法是在外延组织中引进一个异质势垒阻挡层或一个PN结阻挡层。对于AIGaInP材料系统而言，这些算不上新技术。很多AlGalnP激光器件就是运用这种阪挡层达到限制电流流过一个狭窄通路的目的。为了制造一个P-n阻挡结构，必需进行一个二次生长过程。苜先完成双异盾结P恻生长，之后在其上面生长一个n型薄层（-500A）.这个薄层可以是AhJrbMGanJn7或GaA然后将晶片从CMVPE反应器件中除去。利用光拖模平板在n型层上将生成欧照接触处腐蚀出一个规定的小岛。再将晶片放入CMVpE反应器。最终在n型小岛上生长P型电流扩展窗口层。制成欧姆接触电极时应以意使其

13、对准n型小岛。电极下面这个特殊P-n结的存在。迫使电流从侧面流过窗口层，且在流经取异质绪的P-n结之前不经电极下面区域。阻挡层的成份应考虑材料可以胜利长成且可以对其进行腐蚀而不影响其它（AhGaH）IXJnOP外延层。为了削减谀取，要求材料对放射的光是透亮的。如GaAS和GaUJnST薄层不会使谀取明显增加且可以对其进行选择性腐蚀。异质势垒阻挡层结构也包含一个两次生长的过程。不过，它是在DH上面生长一个厚度为5（K）A的P型GaAS层而不是生长n型层。在这种状况下，在高带隙AlIIjn,F上束缚层和低带隙GaAS之间产生的异援势垒足以供应电流阻挡作用。其工艺和再生长步骤与P-n结阻挡结构是类似的。阻挡结构的形成阻挡电流在器件的某部份流淌,从而改善光输出效率。现在我们转入探讨光产生后从1.ED芯片中排出的问题。这一课题对于全部类型1.ED都是很重要的。然而,在AlGaInP器件状况下，应用光排出技术可以最充分地吸取这种