AIGaInP系LED工藝進展分析

鄭元宇

摘 要：從外延工藝和芯片工藝上，對AIGaInP系LED在提升外量子效率的各種方法做了分析，探討了各種工藝目前存在的優勢和缺點。以期為GaAs基AIGaInP LED的發展提供理論依據。

關鍵詞：AIGaInP LED；GaAs；外延工藝；芯片工藝

中圖分類號：TN383 文獻標識碼：A

0.引言

LED從投入市場到現在已有40多年的歷史。20世紀80年代，出現了液相淀積LED的制作技術，使LED的性能得到了一次提升。90年代，采用金屬有機化學氣相沉積系統（MOCVD），使LED的性能得到了飛躍。AlGaInP系LED的技術改進主要圍繞著如何提升LED的發光效率進行研究。目前影響AlGaInPLED性能的主要原因是外量子效率低，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DBR結構、倒裝結構、表面粗化、倒金字塔、ITO電流擴展結構等。這些芯片工藝提升外量子效率方法也在企業生產中取得較大進展，但也存在各種瓶頸，工藝實現起來存在困難。本文針對這些方法進行分析，為后續AIGaInP系LED的工藝發展提供理論依據。

1. AIGaInP LED外延工藝分析

1.1 能帶結構分析。（AlxGa1-x）1-yInyP的材料里，通過對In的摩爾組分y進行調節，能使與GaAs的襯底進行較好匹配。當y=0.5，（AlxGa1-x）1-yInyP和GaAs的襯底能夠進行更好的晶格匹配。目前商業中采用的紅光的LED多是采用在GaAs襯底上使用MOCVD生長（AlxGa1-x）0.5In0.5P作為有源層。有源區（AlxGa1-x）0.5In0.5P的直接帶隙變化范圍從1.9eV（x=0）到2.23eV（x=0.543），對應的發射波長從650nm到550nm，也可以制備出黃綠光到紅光波段的LED。MOCVD技術應用到AIGaInP LED的生產中是LED制作技術發展的一大進步，使LED的性能得到了很好的提升。目前在各個企業里，制備黃綠光到紅光波段的LED，有源區一般采用（AlxGa1-x）0.5In0.5P材料，得到良好的效果。

1.2 AIGaInP LED的外延層結構分析。傳統的GaAsP LED的外延層結構相對比較簡單，其功率和各方面性能都比較低。AIGaInP LED在外延層結構設計上更加復雜，同時較為復雜的結構層設計也為AIGaInP LED帶來了更好的性能。目前常見的AIGaInP LED外延層結構一般包括有襯底、分布布拉格反射層（DBR反射層）、NP限制層、電流擴展層等。

襯底采用GaAs襯底，其中GaAs襯底的選擇至關重要，良好的襯底是決定能否外延出高質量的前提條件，目前一般選擇襯底摻雜濃度介于（0.5-5）×1018cm-3，位錯密度EDP<5000的襯底。另外襯底質量影響外延層的表面，不合格襯底在外延后，表面出現紅斑和白斑現象，這些外延片制成的芯片，質量上存在問題，直接影響外延良率。因此，良好的襯底選擇是制備高質量LED的重要條件。

分布布拉格反射層（DBR）結構設計主要是通過在窗口層以及活性層與襯底之間增加兩種材料，這兩種材料的折射率不同，這種設計被稱為分布布拉格結構設計。布拉格反射層一般是采用AlAs/AlGaAs，將其設置在LED的襯底與有源層之間，然后可以實現光的反射。通過研究表明，采用布拉格反射層結構設計可以明顯提升光線射出率。布拉格反射層結構可以通過MOCVD在外延中生長，而無需其他的加工步驟，因此這種設計的成本較低，而且使用方便。同時由于這種設計提出的歷史較為久遠，因此技術相對比較成熟。國內對于這種技術的應用相對比較廣泛，因此在商業生產當中應用也很普遍。但是這種設計對于光的反射要求較高，一般只對特定角度的光進行反射，例如垂直角度與小角度的光線，因此這種設計對于大角度的光反射效果較差，仍然會喪失許多光能。這需要進一步地對DBR的結構進行研發，對后續提升外量子效率是個重要方向。

電流擴展層目的是為了達到更高的電流注入。具有高面電導和高透明的厚GaP電流擴展窗口層，可以使電流均勻流過結，以克服p型（AlxGa1-x）0.5In0.5P面電阻高導致的從電極注入的電流主要集中在電極下面流過結，發光效率低的缺點。對于GaP的厚度，一般工藝上要求越厚，電流擴展效果越好，但是在一些芯片工藝提升亮度的要求下，并非GaP厚度要求越高越好，這需要進一步配合芯片制程來進行研發外延的GaP厚度。

2. AIGaInP LED芯片工藝分析

2.1 倒裝結構設計。一般來說，為了降低光線在GaAs襯底上的吸收流失，可以采用倒裝結構，芯片工藝主要是將吸收光的GaAs襯底剝離，然后把外延層重新鍵合在無吸收的Si襯底上。當襯底生長外延結構層以后，用化學腐蝕的方式去除襯底，再與外漏的外延層連接。這種結構設計有著較為良好的電擴展性，通過這種Si襯底，大大增加了出光率，提高LED的外量子效率，且出光效果更加均勻。該工藝重點是需要去除原來吸收系數較大的GaAs襯底層，與Si基板進行鍵合，在企業中工藝難度較大，主要表現在工藝流程多、復雜，制備出芯片成品良率低，成本高。因此該方法提升外量子效率，還需要進一步穩定工藝流程，提升良率，降低成本。

2.2 粗糙化結構設計。這是一種較為簡潔的提高LED外量子效率的設計，由于光在內部不斷發生反射，直到在界面以小于臨界角的角度射出，因此采用粗糙化結構設計將光在內部的反射條件全部破壞，外量子的效率就會被顯著提高。這種結構設計可以需要對LED表面進行腐蝕，從而實現粗糙化結構設計，可以使LED的外量子效率達到30%以上。

粗糙化結構設計一般是在LED組件上進行粗糙化操作，使其表面具有相對較為規則的凹凸性，所以這種設計有兩種操作方式，一種是通過在LED組件內部進行粗糙化設計，另外一種是在LED組件上方進行粗糙化設計，同時在其背面設計一個反射層，這樣的設計可以使LED的外部量子效率達到40%以上。

通過表面粗糙化處理進行結構設計，主要是采用對介面進行打毛的方式讓部分反射光能夠通過一種散射的方式射出，從而使外量子效率提高。但是這種方式是直接對LED的表面進行處理，因此對于透明電極會造成危害，同時這種處理方式難度也較高，因此一般使用較少。

2.3 改變晶粒外形結構設計。由于LED的晶粒其外形一般多以一種立方體的形式展現，而這種形狀下的截面呈相對平行狀態，因此光在其中會全部發生反射，從而造成了光被有源層的吸收。在這種設計下，許多光會被轉化成熱能消散。

改變晶粒外形的結構設計就是建立在這種基礎上的一種設計，是利用一種特殊的刀片將LED制作成為一種倒金字塔型的形狀，這種形狀的LED設計當中，光線會在側內表面發生折射，然后反射到其上表面上，然后再以一種低于臨界值的角度射出，與此同時，其他大于臨界值的光則是從側面射出。光在內部傳遞的路程會被縮短，同時通過這種設計，光可以高效地被引導出來。這種設計下，外量子效率可以實現50%的保留，發光效率非常高。

2.4 采用ITO電極結構。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。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，目的為了使得電流能往電極周圍擴展，電流更多地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，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厚度設計在合理的范圍內，亮度最亮。該方法在企業里得到較大的影響，芯片工藝相對簡單，且良率較高。

結語

對于LED的技術改造，如何提升其外量子效率，我們做了許多努力。本文提到的外延工藝和芯片工藝設計方法雖然已經實現LED外量子效率的提升，但仍然還有很大的提升空間，LED的技術發展仍然有很長的路要走。在LED技術不斷進步下，在研發提升外量子效率的同時也會帶來許多其他技術性問題，企業要想實現高質量LED生產和盈利，需要將這些技術科學、有效地應用到LED生產中。實現研發高效轉量產，這是未來LED發展當中的重要課題。

參考文獻

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