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：TN383：1009-2374（2017）01-0027-02DOI：10.13535/jki.11-4406/n.2017.01.0131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AlGaInPLED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。2AlGaInPLED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60Torr，对GaAs表面进行脱氧；然后在GaAs衬底上生长AlGaAs/Al0.5Ga0.5AsDBR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%。3.2N-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110.6...