（微电子学与固体电子学专业论文）半导体红光led中ito应用技术的研究.pdf

摘要 摘要 半导体l e d 以其高电光转化效率、寿命长、绿色环保等优点，成为2 l 世纪 的新一代照明光源。随着i i i v 族半导体工艺的日趋成熟，l e d 器件研制不断向 高效高亮度方向发展。l e d 外量子效率的提高是l e d 研发的核心内容。电流扩 展层的应用大大提高了l e d 的外量子效率，成为l e d 研制过程中提高器件性能 的重要的方法。本课题基于a 1 g a l n p 红光l e d ，从理论和实验角度研究了i t o 电流扩展层在l e d 中的应用。具体研究内容为： l 介绍了红光l e d 的用途及研究现状，阐述了高性能l e d 的异质结结构特 征与工作原理，概述了l e d 器件发光效率的表征及提高方法并指出本论文的主 要研究工作。 2 介绍了典型的红光l e d 器件结构，尤其是为提高量子效率而采取的一系 列特殊结构，同时介绍了l e d 的制备工艺中外延片生长、光刻工艺，以及p e c v d 、 蒸发、溅射等镀膜工艺，湿法和i c p 刻蚀等工艺。 3 介绍了用于l e d 中电流扩展层的i t o 膜材料的光电性质。通过分析和实 验研究了电子柬蒸镀i t o 膜工艺中工艺条件对膜质量的影响，表明了生长速率 提高会提高膜的致密性，但是会使膜的透过率下降。 4 对理想l e d 器件中的电流扩展层的电流扩展进行了建模分析，建立了线 性电流传输模型进行解析求解，并用半导体专业模拟软件i s et c a d 进行模拟验 证。经模拟计算得到电流分布方程，结果表明理想器件中电流密度随与电极距离 的增加呈指数衰减，衰减系数与扩展层的方块电阻的平方根成反比。 5 通过实验分析了带有i t o 电流扩展层的高亮度a i g a l n p 红光l e d 器件的 器件结构特点与性能，表明i t o 的应用使l e d 器件的光功率提高4 8 5 ，并且 减小了波长的红移。分析了i t o 膜在l e d 中的增透原理。对热处理工艺对带有 i t o 的红光l e d 性能影响进行了实验研究。经过分析表明，热处理工艺对i t o 膜本身和外延片光电性能均有促进作用，但是i t o 膜折射率的升高会使原始设 计中的i t o 膜增透效果产生变化，从而改变器件的发光效率。 关键词：发光二极管；电流扩展层；i t o 膜；量子效率 a b s t r a c t a b s t r a c t l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) h a sb e c o m et h en e wl i g h t i n go f 21 吼c e n t u r y , o w i n gt o i t sh i g he f f i c i e n c yi ne l e c t r i c i t y - l i g h tt r a n s f o r m i n g ，l o n gl i f e ，a n dl e s s p o l l u t i o n a st h ed e v e l o p m e n to ff a b r i c a t i n gt e c ho fi i i vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r d e v i c e s 。t h er e s e a r c ho fl e dt e n d st oh i g he f f e c ta n dh i g hl u m i n a n c e ，w i t ht h em a i n t a s ko fi m p r o v i n gt h el i g h te x t r a c te f f i c i e n c y w i t hc u r r e n ts p r e a d i n gl a y e rt e c h ，t h e e x t e m a lq u a n t u me f f i c i e n c yo fl e dh a sb e e ni n c r e a s e d i th a sb e c o m eav e r y i m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl e d b a s e do na l g a i n p r e dl e d i t 0 c u r r e n ts p r e a d i n gl a y e ri ss t u d i e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i st h e s i s t h ed e t a i lc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： lt h ea c t u a l i t yu s a g ea n dr e s e a r c h i n go fr e dl e dd e v i c e si sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo fd o u b l eh e t r o j u c t i o na r ee x p o u n d e d ，s oa r et h ee f f i c i e n c i e s o fl e da n dt h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i s 2t h es t r u c t u r eo ft y p i c a lr e dl e dd e v i c e e s p e c i a l l ys p e c i a ls t r u c t u r e su s e dt o i m p r o v eq u a n t u me m c i e n c ya r ed e s c r i b e d m a i nf a b r i c a t i o np r o c e s s e so fl e d sa r e d e s c r i b e d ，s u c ha sm o c v d ，l i t h o g r a p h y , w e te t c h i n g ，i c p , c o a t i n g ，i n c l u d i n gp e c v d ， e v a p o r a t i o n ，s p u t t e r i n g ，e t c 3e l e c t r i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r so fi t of i l mu s e di nl e da sc u r r e n ts p r e a d i n g l a y e ra r ed e s c r i b e d t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fa f f e c t i o n st oi t of i l m c a u s e db yc o n d i t i o n so fe - b e a me v a p o r a t i o nh a sd o n ei nt h i st h e s i s e x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st h a tt h ec o m p a c t n e s so fi t 0w i l lb ei m p r o v e dw i t ht h er i s eo fg r o w t hr a t e w h i l ed e c r e a s i n gl i g h tt r a n s m i t t a n c e 4c u r r e n ts p r e a d i n gm o d e li ni d e a il e dd e v i c ew a sm a d ea n ds o l v e da n d t e s t i f i e dw i t hp r o f e s s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eo fs e m i c o n d u c t o rd e v i s e s i s et c a d c u r r e n td i s t r i b u t i o ne q u a t i o ni nl e ds h o w st h a tt h ec u r r e n td e n s i t yd e c r e a s e sw i t ha n e x p o n e n tf u n c t i o n 弱t h ed i s t a n c et oe l e c t r o d ei n c r e a s e s t h ed e c a y i n gt o e m c i e n t d i m i n i s h e sw i t ht h ea u g m e n t a t i o no fs q u a r er e s i s t a n c eo fc u r r e n ts p r e a d i n gl a y e r 5a n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fh i g hb r i g h t n e s sa i g a l n pr e d l e d sw i t hl t oc u t ；r e n ts p r e a d i n gl a y e rh a sm a d et h r o u g he x p e r i m e n t s t h er e s u l t s h o w st h a tt h eo u t p u ti i g h tp o w e ro fr e dl e d si si n c r e a s e db y4 8 5 b e c a u s et h eu s e o fi t ol a y e ra n dr e ds h i f to fw a v e l e n g t hi sr e d u c e d t h ef u n c t i o no fi t of i l ma s a n t i r e f l e c tf i l mi nl e dd e v i s e si sa n a l y z e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fr t ap r o c e s st o l e d sw i t i li t ol a y e ri sa l s om a d e t h er e s u l ts h o w st h a ti n ap r o c e s sc a ni r e p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fi t of i l ma n dt h ee p i t a x yw a f e r ，b u tw i l lc h a n g et h el i g h to u t p u t e m c i e n c yo fl e d sb e c a u s eo ft h ec h a n g eo fa n t i r e f l e c tp e r f o r m a n c ec a u s e db yt h e i n c r e a s co fi t 0f i l m sr e f r a c t i v ei n d e x k e yw o r d s ：l e d ；c u r r e n ts p r e a d i n gl a y e r ；i t of i l m ；q u a n t u me f f i c i e n c y - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：乏丛氢整日期：丞丝：盘兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲泌维翩躲阻魄燃 第1 章绪论 第1 章绪论 半导体发光二极管( l e d ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是电能转化为光能的电致发 光器件。上世纪以来，a i g a l n p 以及g a n 材料为代表的第三代半导体研究的兴起， 使实现白光l e d 照明成为可能。随着白光l e d 的研制成功，半导体发光二极管被 认为是2 l 世纪的新光源。l e d 照明代替传统照明成为人类照明的主要方式【l 】，是 大势所趋。 发光二极管( l e d ) 具有体积小、固体化、低功耗等优点，显示出其它类显示 器件所难以比拟的优势。在国民经济各部门、各领域都得到了广泛的应用。发光 二极管的产量和产值在半导体光电子器件中均占有举足轻重的地位。近年来，由 于m o c v d 技术的发展，l e d 结构设计的改进，管芯和器件制作技术的不断完善， 应用手段与范围的不断扩展，使l e d 在高亮度、全彩色方面有了飞速发展。半导 体l e d 已经向传统的白炽灯展开挑战，展现了美好的前景。 现在l e d 已经进入千家万户，遍及国民经济各部门。特别广泛用于指示灯、 显示屏等应用领域，最近十年，l e d 的发展极为迅速，其品种之多，产量之大， 用途之广是其它发光显示器件难以相比的。l e d 无论是产量。还是产值在半导 体光电器件中均居绝对优势，远大于其它半导体光电器件之总和【2 】。 1 1a 1 g a l n p 红光l e d 的研究 1 9 9 0 年之前，半导体发光材料的研究重点是a 1 g a a s 材料，而由于a i g a a s 材 料的特性，其发光波长最短只能至j j 6 8 0 n m 左右，出于对更短波长光源的迫切需要， 使得人们纷纷把注意力转向有更大带隙的a i g a l n p 材料上去。 最先使用a i g a l n p 材料的是t s u z u k i 等人，他们在1 9 8 2 年时研制了a i g a i n p 双异质结构的激光器，他们发现a l o 5 i n o 5 p g a o 5 i n o 5 p a l o 5 i n o 5 双异质结构的光荧 光强度是单层g a o 5 i n o 5 p 的十倍。1 9 9 1 年，美国l i p 公司的c r a f o r d 等人和日本 东芝公司研制成功了a i g a l n p 发光二极管，并于1 9 9 4 年采用低压金属有机物化 学气相淀积( m o c v d ) 技术改进成功，通常采用g a a s 作衬底。其后c r a f o r d 等人又开发了g a p 透明衬底技术，将红色和黄色双异质结材料制成l e d ，其发 光效率提高到2 0 1 m w ，这就使l e d 的发光效率超过了白炽灯的1 5 1 m w ，后又 提高到4 0 5 0 1 删啊，近几年由于采用多量子阱结构，红光l e d 发光效率能达到 7 3 7 1 m w 。而采用截头锥体倒装结构技术，红光l e d 发光效率能达到1 0 2l i t l w ， 外量子效率提高了5 7 倍。 a i g a l n p 超高亮度红( 橙、黄) 光l e d 在我国起步于1 9 9 6 年，南昌欣磊公司 北京工业大学工学硕士学位论文 首先用进口的a i g a l n p p f 延片制成芯片，1 9 9 8 年国内第一台生产型( a x t 2 4 0 0 ) m o c v d 在河北汇能公司投产，从此结束了我国超高亮度l e d g f 延片全部依赖进 口的局面，1 9 9 9 年国内第一条a i g a l n p 超高亮度红( 橙、黄) 光l e d 芯片生产线 在河北立德公司建成投产。1 9 9 8 年- - 2 0 0 0 年a i g a l n p 超高亮度红( 橙、黄) 光l e d 外延片和芯片的产业化列入“8 6 3 ”课题，得到了“8 6 3 ”的大力支持，并将其科研成 果转移至厦门三安公司，该公司从外延片到芯片的产业规模居国内之首。至i j 2 0 0 6 年，国内厂家生产的外延片和芯片的技术性能大多为中低档，一直停留在上一世 纪9 0 年代初期( 1 9 9 4 年) 的带有布拉格反射器的g a a s 衬底结构，这种结构的发 光效率一般仅为10 1 m w 左右p 】。 在a i g a l n p 超高亮度l e d 问世不久，许多厂家提出了高光效的新型结构。惠 普公司1 9 9 4 年研制的透明衬底结构在技术含量和性能水平上均居世界之冠，其低 功耗型达到1 0 0 流明瓦，功率型的倒梯形结构的发光效率达到了5 0 流明瓦。 台湾地区紧随其后，最近几年发展很快。除外延片的内量子效率在不断提高外， 芯片结构不断改进和制造工艺的成熟促使器件的外量子效率不断提高，可靠性逐 渐稳定。 1 2a 1 g a l n p 半导体材料 对于用来大规模生产的l e d 匍 造的半导体材料，除了需要其禁带宽度合适 以外，一般还需要具备以下条件： a ) 直接带隙材料。直接带隙半导体电子在进行带间复合时，电子的动量 不发生变化，不需要声子参与，因而直接复合几率大。 b ) 可以制各出性能良好的1 1 和p 型材料，即可以制成良好的p n 结。 c ) 可获得完整性好的优质晶体。此处的不完整性是指能缩短少数载流子寿 命并降低发光效率的杂质和晶格缺陷。 a i g a l n p 四元合金材料作为发光材料即具备上述优点。当( a i x g a l 。) o s l n o 5 p 合金材料在3 0 0 k 时，由光致发光测量所确定的直接带隙和由温变压强测量确定 的间接带隙能量随合金组分x 变化为【5 j ： e r ( x ) = 1 9 1 + 0 6 1 x ( e v )( 1 一1 ) e x ( x ) = 2 1 9 - i - o 0 8 5 x ( e v )( 1 2 ) 由l - l 、l 一2 式及图l in - 以得出( a l x g a l x ) o s l n o 5 合金材料3 0 0 k 时r - x 能谷的交 点在x = o 5 3 ( 2 2 3 e v ) ，对应的波长 k = 5 5 5 n m 。x = 0 ，e r ( o ) 对应的带隙能量为 1 9 1 e v ，发光波长为k = 6 5 0 n m 。由此可以看出用( a i x g a l 。) 0 s l n o 5 合金材料制作的 发光二极管波长范围应在5 5 0 6 5 0 n m 之间。( a l 。g a j , 3 0 5 i n o 5 合金材料与g a a s 衬底 第1 章绪论 相匹配，利用合适的掺杂剂可以获得高掺杂并形成良好的p n 结。由于这些优点， 用( a i x g a i 小5 i n o 5 合金材料制作出大于l c d 的从橙色( 6 3 0 n m ) 到黄绿色( 5 7 0 1 1 n 1 ) 的 l e d ，并实现了商品化。 专 p 塞 i i j ( a l g a 佃k 5 i n n 5 pa 敷) yc o m p o s i t i o n ( x ) 图1 - 1 ( a l x g a t x ) o 5 i n o 毋材料带隙随a l 组份x 的变化 f i g1 - 1b a n d g a po f ( a l , , g a t 小5 i n o 5 pw i t ha l w i t ha 1p r o p o r t i o n a i g a l n p 材料有可以良好导电且晶格匹配的的衬底g a a s 可供使用。在生长 方面，a i g a l n p 材料使用金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 的生长方法来代 替传统的液相外延( l p e ，l i q u i dp h a s ee p i t a x y ) 方法。m o c v d 方法的优点是可以 选择多种金属有机物作为源材料，因此具有生长多种化合物半导体的灵活性。 m o c v d 不仅能制备高纯材料，还能对生长的极薄材料的厚度、组分和界面进行 精确的控制，其重复大面积生长均匀层的能力使其在工业生产中能有更广泛的应 用。 表1 - 1a i g a l n p 系材料的能带参数 t a b 1 - 1p a r a m e t e r so f e n e r g yb a n do f a i g a i n p p a r a m e t e r g a o 5 1 n o 5 pa l o s l n o s p( a i x g a1 x ) o s l n o 5 p ( e v ) 1 92 51 9 0 6 x e ( e v ) 2 2 52 3 52 。2 5 + 0 1 x 0 1i ( x 0 7 ) m 二m o 0 1 l0 1 4 0 1 l + 0 0 3 x 肌j ： m o 0 6 20 6 7 o 6 2 如0 5 x 1 3 l e d 器件工作原理 发光二极管的实质性结构是半导体p - n 结，如图1 - 2 所示。由于电子空穴 北京工业大学工学硕士学位论文 的相互扩散在p 区和n 区的界面处形成了内建电势场，从而阻止载流子的进一 步扩散，并使因浓度差导致的扩散和电场导致的漂移作用处于动态平衡，半导体 p - n 结处于热平衡状态。当外加一个正向偏压时，如图1 2 b 所示，半导体p n 结的平衡状态被打破。内建电势场被方向相反的外加电场所削弱，从而使得载流 子的扩散作用超过内建电势的漂移作用而形成少数载流子注入。电子和空穴分别 注入到p 区和1 1 区中。并且在p 区注入的少数载流子电子与多数载流子空穴发 生复合，即电子从高能量的导带中跃迁到低能量的价带中，损失能量并辐射出相 应能量的光子 7 1 。这就是p 1 1 结注入发光的原理。 l 0 0 0 l0 0 0 eo ioooe o 馋)( b j 图1 - 2a p - n 结平衡态能带图b p n 结正向偏压下的能带图 f i g1 - 2 e n e r g yb a n do f p - n j u n c t i o n a b a n l e n c es t a t eb w i t hf o r w a r db i a s 由于导带中的电子尽量的处于低能态的导带底部，而价带中的空穴又尽量的 处于低能态的价带顶部，因而当电子和空穴复合形成光发射时，所损失的能量 也即辐射的光子能量近似的等于产生辐射的区域材料的禁带宽度e g 。因而对于 半导体l e d 来说，只要选择禁带宽度合适的材料，就可以人为的选择注入发光 的光子能量，也即发光波长，对应于可见光区来说，就是不同的颜色。这样，只 要选取合适的材料，设计合适的结构，就可以使发出的光集中于一个很窄的波长 范围内，而避免无用的不可见光发射，从而使得发光效率大大提高。 产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即半导体内需要有某 种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。发光二极管属于电 致发光器件，即由电流( 电场) 激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。半 导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流 子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回复到较低的能量状 态，并发生电子一空穴对的复合。复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的 能量。电子跃迁过程中，除了发射光子的辐射跃迁外，还存在无辐射跃迁。 第1 章绪论 1 3 1 双异质结结构 为了实现高的电子注入效率，早期的发光二级管采用双异质结结构( d o u b l e d h ) 。a l g a i n p 红光l e d 中，能带结构如图1 3 所示【7 】。在正向偏压下，电子 从n 型限制层注入有源区，由于p 型限制层与有源区的带隙差别a e e 以及p 型 掺杂所导致的导带势垒的升高e ，在p _ i 异质结处会形成限制电子的能带台阶 a e c + a e ，来有效的约束电子，使其在有源层积累；同理，从p 型限制层注入 的空穴也被有效的限制在有源层内。电子空穴对在有源区中辐射复合发出光子， 其能量近似等于有源区禁带宽度的能量差。为了使载流子限制在有源区无法泄漏 出去，注入的载流子的能量应低于有源区和限制层的界面势垒。在固定的注入电 流密度下，有源区的厚度、电子和空穴的势垒高度直接影响着载流子的限制。 d h 器件中载流子的泄漏是由能量足以穿过有源区到达限制层的载流子的漂移和 扩散形成的。漂移所造成的泄漏随着注入电流密度的增加而增加。在相对高的电 流密度下，漂移漏电流在总漏电流中占主要部分。而扩散泄漏电流主要与器件的 结构有关，它可以通过两种途径来减小：一种方法是增大有源区和限制层的能 隙差；另一种是将p 型限制层重掺杂。在( a l 。g a t - x ) o s l n o ，5 p 材料系中，当x 0 7 时，p 型的高掺杂难以做到。 i ( a l t g a i - i ) o s i n o j p p ( a i 。7 g a o 3 ) o j i n 。j p x = 0 0 5 图1 3 双异质结结构能带图 f i g1 - 3e n e g yb a n do f d hj u n c t i o n 在双异质结构中，为了提高载流子的限制能力，一般采用( a l o 7 g a o 3 ) o s l n o 5 1 宽带隙作为限制层，而发光区采用低a l 组份的窄带隙材料( a i x g a t x ) o 5 i n o s p ，其 组份可调。当a l 组份从0 变到o 5 ，发光区发射的波长能覆盖从6 5 0 n m 的红 光到5 5 5 n m 绿光。 注入到p 区的少子电子向p 区扩散，由于p i 结的导带势垒高度是有限的， 能量分布在高于p i 结导带势垒高度的电子将越过p i 结泄漏到p 区，以漂移 和扩散的形式向p 区运动形成漏电流。同时在发光区两个异质结界面处非平衡 北京工业大学工学硕士学位论文 电子通过界面的深能级发生非辐射复合。这两个因素是导致注入发光区的非平衡 电子损耗的主要原因，是影响p i nd h 结构的量子效率的主要因素。 1 3 2 多量子阱结构 随着材料生长技术的不断提高，为了提高发光二极管的发光强度，多量子阱 ( m u l t i q u a n t u mw e l l ，m q w ) 结构开始逐步取代了双异质结结构，作为发光二 极管的有源区。 量子阱就是两种不同势垒高度( 不同禁带宽度) 的材料形成的势场结构，如 图1 - 4 所示。当低势垒( 窄禁带宽度) 材料加在高势垒( 宽禁带宽度) 材料之间 时，低势垒材料中的电子由于受高势垒的约束，无法自由运动，犹如处在势阱中。 但是当势阱尺寸( 宽度) 减小到可与电子的德布罗意波长相比时，便产生了量子 效应，即电子在势阱中运动量子化。在一定条件下，它可以穿越势垒自由运动， 这便是量子阱效应的基础。这种特性决定了量子阱结构l e d 具有许多不同于双 异质结结构l e d 的特性。 ( a l o t g a o d o s l n o s p 。( a i o t g a o 3 ) os l n o s p 图l - 4 量子阱结构能带结构图 f i g1 - 4e n e r g yb a n do fq u a n t u mw e l l 多量子阱结构l e d 的能带结构如图1 5 。从图卜5 中可以看到，其与d h 结 构l e d 的主要区别就是有源区采用多量子阱取代了a i g a l n p 体材料。在量子阱 l e d 中，通过p - n 结注入的电子和空穴被限制在阱中，从而提高了辐射复合效率。 通常，注入载流子要经过包层才进入有源区。但是，只有当电子和空穴的平 均自由程小于量子阱厚度“时，注入载流子才会有效的被收集入势阱内，并经 声子散射而集居于低量子态。若d w 小于平均自由程，则注入载流子将扩散入包 层并在该层内发生复合。这样的单量子阱结构不能有效收集载流子。为此发展了 多量子阱结构，它利用较薄的势垒层把多个单量子阱连接起来。当势垒层足够薄， 一般减d , n 接近电子波长时，电子就能以隧道方式穿透势垒。在尺寸量子化时， 隧道穿越的概率会大大增加。在此结构中，注入载流子可以通过隧道效应被分别 收集于量子阱内，从而保证了受激发射发生在有源区的受限态之间。这样，多量 第1 章绪论 子阱l e d s 不仅具有常数态密度的特点，而且有源区的量子阱总厚度d w 由各个 量子阱厚度d i 之和决定。这就使有源区填充载流子的数量大大增加了。 jl x = 0 1x = 0 6 瞪黧震震霎娶鍪霪黧勰黼塑翔 i 卜卜_ 州 d i l 图1 5 多量子阱中导带能带结构示意图 f i g1 - 5c o n d u c t b a n do fm q w 量子阱之间的距离大小决定了他们之间的相互作用强弱。如果势垒层较厚， 阱与阱之间的距离较大，相互作用就很弱，多个量子阱的光电特性与单量子阱的 情况一样；如果势垒层较薄，阱与阱之间的距离较小，相互作用就较强，量子阱 的单个能级相互作用形成有效能带，即为超晶格结构。 1 3 3l e d 中载流子复合 半导体中的电子与空穴的复合一般分为辐射复合和非辐射复合两类，前者是 导带电子与价带空穴复合释放出光子以释放能量，后者是复合过程中不放出光 子，而以放出声子的形式释放能量，或转变为自由载流子的动能。下面对这两类 复合机制分别进行阐述。 一、辐射复合 有源区势阱内，导带和价带的子能带上集居足够数量的电子和空穴后将发生 辐射复合跃迁，它通常首先发生在e c l 和e h h l 之间，有源区量子阱的这种跃迁 有一系列特点： l 、由于改变量子阱厚度能使阱内的子能级有不同的数值，因此可以产生不 同的激射波长，即可以在一定范围内通过改变“来改变l e d 的发光波长。 2 、由于量子阱中电子的态密度呈类阶梯状分布，对应于e c l 和e h h l 的子带 态密度都相当大，因此易于获得窄线宽激射。 二、非辐射复合 半导体中电子与空穴得非辐射复合中主要包括：异质结界面态得复合、缺陷 复合及俄歇复合。非辐射复合对高亮度发光二极管的量子效率、工作稳定性和可 靠性等都带来不利影响。 l 、异质结界面态对复合的影响 异质结界面态的复合造成载流子的非辐射损失。尽管这部分的载流子复合电 北京工业大学工学硕士学位论文 流中所占的比例不大。但在以双异质结结构较薄有源区的高亮度发光二极管中影 响十分突出。由界面态引起的非辐射复合速度正比于晶格失配度。 为了降低界面态非辐射复合速度，外延晶体必须非常匹配。在量子阱结构中， 由于弹性应变的作用，一定范围的失配度下，只要外延晶体的厚度不超过临界厚 度，通常能得到质量很高的晶体，界面的复合速度很小，甚至可以忽略。 从界面态复合的角度上看，增加量子阱的数目不会降低器件的内量子效率。 而从量子阱收集载流子的角度上看，注入的载流子经过包层进入有源区势阱层， 只有电子和空穴的平均自由程l e 和l h 大于量子阱厚度l w 时，注入载流子 将扩展入包层并在该层内发生复合。这样的单量子阱结构不能有效收集载流子， 器件的内量子效率较低。多量子阱结构的载流子可以通过隧道效应被分别收集于 量子阱内。对于多量子阱结构作有源区的器件，有源区量子阱总厚度n l w 是由 各个量子阱厚度l w 之和，这样的有源区填充载流子的数量大大增加，并且具 有常数态密度的特点。 2 、深能级中心和缺陷复合 在i i i v 族化合物半导体中，除了有浅能级杂质外，还常常有能级位于禁 带中部的深能级杂质中心，特别是采用m o c v d 外延技术外延的晶体材料，它 是由过渡金属和不同类型的内部缺陷形成的。当深能级中心数量达到一定数目 后，将产生非辐射复合的深能级中心。减少深能级中心的密度是降低深能级非辐 射复合的有效办法。 3 、俄歇复合 俄歇复合就是电子空穴对在复合跃迁中将释放出来的能量给于另一个电子 或空穴，并把它激发到带内一个更高的能态上去，复合所释放出的能量对另一个 电子或空穴是作为附加的动能出现的，受激电子或空穴再以放出声子的形式损失 能量而达到热平衡。俄歇复合可分为三类：带间过程：声子参与的俄歇过程；陷 阱参与的俄歇过程。一般是以第一类过程为主。俄歇复合同样需要遵守能量守恒 和动量守恒，所以在间接带隙半导体材料中俄歇复合的几率很小。 而我们要讨 论的g a i n p 、a i g a l n p 材料的俄歇复合是直接带隙俄歇复合，主要有两个电子和 一个空穴参与的过程( c c h ) 和一个电子和两个空穴参与的过程( c h h ) ，如图1 - 6 所示。 图1 6 俄歇复合示意图 f i g l 6a u g e rc o m b i n a t i o n - 8 第1 章绪论 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼基曼曼烹曼鼍曼曼曼皇量曼! ! 曼曼曼曼詈曼! 曼曼! 鼍! 曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼葛i i i i ! 皇寡詈曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼 而对于多量子阱结构，由于阱内子能带的升高和态密度的改变，可以大大的 降低俄歇复合。 1 4l e d 的发光效率及提高方法 l e d 的发光效率是衡量l e d 器件性能优劣的重要参数【1 2 1 。 辐射发光效率( r a d i a n te f f i c i e n c y ) 又被称为电光转化效率( w a l l p l u g e f f i c i e n c y ) ，是光输出功率与输入功率之比，即： = 等= xr , r , 0 - 0 2 亍27 7 唧 其中，7 唧是外量子效率( e x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ) ，r ，是电压效率， 即外加电压作用在器件上的利用率。7 。表示为： 7 7 c x p = 刁i m c 二 ( 1 2 ) 为光提取效率( e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ) ，是内量子效率( i n t e r n a lq u a n t u m e f f i c i e n c y ) ，定义为器件有源区发出光子数与参与复合的电子空穴对数之比，即： 等 ( 1 3 ) 而 h f r ，= 。，_ q v ( 1 - 4 ) 式中p o m 为光输出功率，h 为普朗克常量，f 为频率，i 为注入电流，q 为电 荷电量。一般，7 ，的范围是0 7 5 枷9 7 ，要增加7 7 ，就要减少电阻及电压与临街电流， 而电阻则与p n 结中p 型杂质分布及电接触有关，因此： r w p = r 。荆，= 等哪芳= 斋巳( 1 5 ) 2 印邳v2 f 州方2 方地掣 ( 1 5 由上式可见，提高l e d 的发光效率，就是要提高内量子效率和光提取效率。 对于a i g a l n p 基的红光l e d ，质量好的量子阱结构的内量子效率已经达到9 9 ， 所以，在l e d 芯片的器件设计的时候，重点就是提高光提取效率c 饯。 然而一般生长在吸收衬底并用环氧树脂圆形顶封装的l e d 光提取效率很 低，只有5 左右，也就是说只有很小一部分光被提取出来，影响光提取效率的 原因有： 1 ) 射向衬底的光被衬底吸收： 2 ) 射向电极的光由于电流扩展不均匀被电极阻挡； 3 ) 光从高折射率的半导体射向低折射率的空气时的菲涅耳损失和全反射。 要减少材料本身吸收损失，就需要在发光的有源区下面设置反射镜，将射 北京工业大学z - 学硕士学位论文 向衬底的光反射到电极面射出。然而有源区是用m o c v d 的方法直接生长在吸 收衬底上，因此，对于普通正装l e d 器件，反射镜只能使用d b r 反射器( d i s t r i b u t e b r a g gr e f l e c t o r ) 。倒装结构的l e d 由于去除了吸收衬底，而且可以更容易的制 备全方位反射镜，因此其光提取效率和量子效率要大大提高，但是器件制备工艺 要复杂得多，而且成品率较低，因此倒装技术还在研发之中。 电流扩展窗口层的应用是提高l e d 光提取效率的重要手段。为使电流由电 极注入后能更为均匀的分布，而不是集中于电极下方，在电极下方需要有高电导 的一层电流扩展层传导电流，使注入电流能更有效的被有源区利用，同时减小电 流拥堵而产生的热效应，从而提高器件的外量子效率。这就要求电流扩展层材料 不但要具有高的电导率来传导电流向电极外扩展，同时还要有高的光透过率来保 证光透过窗口层提取出来。本文主要研究了电流扩展层应用技术，具体内容后面 章节将做详细的讨论和研究。 此外。为减少光输出时的菲涅耳损失和全反射损失，增透膜技术和表面粗 化技术也用来提高外量子效率。 1 5 本论文研究主要内容 本文围绕a i g a l n p 红光l e d 中的电流扩展层，研究了用i t o 作为电流扩展 窗口层提高外量子效率的技术，主要从电流扩展层的材料性能及制各工艺，电流 扩展层的电学性能，以及带有i t o 电流扩展层的l e d 器件制备工艺等方面，对 i t o 在l e d 器件中的应用的理论和技术进行研究，提出技术的理论根据，研究 工艺实现方法。本论文的研究工作归纳为以下几个方面： 1 介绍a i g a l n p 红光l e d 的器件结构及制备工艺流程。并对l e d 工艺中 的单步工艺进行描述。 2 介绍i t o 材料的光学、电学性质，并基于电子束蒸镀的镀膜工艺研究了 工艺条件对i t o 膜性能的影响及工艺条件的优化。 3 基于线性电流传输模型对a i g a i n p 红光l e d 器件中电极下方的电流扩展 进行数值模拟分析，并用专业半导体器件模拟软件进行仿真模拟，得到 理想红光l e d 器件中电流扩展层的电流分布方程。 4 制备带有i t o 电流扩展层的红光l e d 器件，从实验角度研究了i t o 层 对红光l e d 的外量子效率提高作用，对电流扩展的对l e d 的光学特性 影响进行理论和实验的研究，并实验分析i t o 膜的增透取光作用对l e d 器件的影响。 5 研究了热处理工艺对带有i t o 电流扩展层的红光l e d 器件性能的影响， 通过对不同条件下热处理的i t o 膜、外延片及器件进行对比和测试，找 出热处理影响l e d 器件性能的原因，提出了改进工艺、提高l e d 性能 的方案。 第1 章绪论 1 l - 耋：兰考：2 三2 兰彗耋型耋三耋 第2 章半导体红光l e d 器件结构与制备工艺 2 1 红光l e d 芯片的器件结构 a l g a l n p 红光l e d 生长在可导电的g a a s 衬底上因此器件具有上下结构 即器件的正、负电极分别做在器件的正面和背面。典型红光l e d 结构如图2 - 所示： 图2 - 1 红光l e d 器件结椅示意田 f i 9 2 - 1s 讥k 虹t o f f a l l e d 由下至上依次为；下电极、c , a a $ 衬底、下限制层、有源区、上限制层、电 流扩展窗口层、电极。 实际的l e d 器件结构设计和制各时，一些特殊结构和方法被用来提高光提 取效率。 21 1 布拉格反射器( d b r ) 由于g - a a s 衬底地对可见光有强烈的吸收作用，使有源层下面的光全部被吸 收无法取出，因此外量子效率很低。如果在n 型限制层和衬底之间插入高反射 率的n 型布拉格反射器( d b r ) ，则射向村底的光被反射回有源区。一部分被有 源区吸收，另一部分则穿过有源区，进入电流扩展层，从而减少由于村底吸收而 损失的光能。 布拉格反射器( d b r ) 由与村底晶格匹配，光学厚度为四分之一波长的高折射 率和低折射率的两种材料交替选加组成d b r 在l e d 中作为有源层底部反光层， 对提高l e d 亮度具有重要作用。a i g a a s a i a s 由于与a i g a l n p 材料生长相容， 与镓砷村底匹配因此被用来作为布拉格反射器的材料。 北京工业大学工学硕士学位论文 量曼皇曼曼曼曼皇皇曼皇曼! ! ! 皇曼l l mi 鼍曼曼曼皇曼皇曼量舅曼皇曼皇蔓曼曼璺曼曼曼曼皇 2 i 2 电流扩展窗口层 n od 0e 0 e g s u b s t l d t e 图2 2 d b r 结构 f i 9 2 - 2s t r u c t u r eo fd b r 在光学器件制备过程中，在器件的出光面和导电电极之间，我们往往需要 一种即能良好导电，又能透光的薄膜材料，使光和电在其中都能传输，有源区所 发出的光可以通过这种材料提取出来。 l e d 器件正向偏置时，由于半导体材料的电阻率比金属要大几个数量级， 注入的载流子不可能像在金属中那样很快扩展均匀，而是向半导体材料内呈辐射 状扩展。这实际上是接触电极与有源层p n 结之间的多数载流子在电场的作用下 侧向漂移运动的结果。为