AIGaInP系LED工藝進(jìn)展分析

鄭元宇

摘 要：從外延工藝和芯片工藝上，對(duì)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(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。以期為GaAs基AIGaInP LED的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：AIGaInP LED；GaAs；外延工藝；芯片工藝

中圖分類號(hào)：TN383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

LED從投入市場(chǎng)到現(xiàn)在已有40多年的歷史。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了液相淀積LED的制作技術(shù)，使LED的性能得到了一次提升。90年代，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（MOCVD），使LED的性能得到了飛躍。AlGaInP系LED的技術(shù)改進(jìn)主要圍繞著如何提升LED的發(fā)光效率進(jìn)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(fā)光二極管的外量子效率，例如DBR結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、表面粗化、倒金字塔、ITO電流擴(kuò)展結(jié)構(gòu)等。這些芯片工藝提升外量子效率方法也在企業(yè)生產(chǎn)中取得較大進(jìn)展，但也存在各種瓶頸，工藝實(shí)現(xiàn)起來存在困難。本文針對(duì)這些方法進(jìn)行分析，為后續(xù)AIGaInP系LED的工藝發(fā)展提供理論依據(jù)。

1. AIGaInP LED外延工藝分析

1.1 能帶結(jié)構(gòu)分析。（AlxGa1-x）1-yInyP的材料里，通過對(duì)In的摩爾組分y進(jìn)行調(diào)節(jié)，能使與GaAs的襯底進(jìn)行較好匹配。當(dāng)y=0.5，（AlxGa1-x）1-yInyP和GaAs的襯底能夠進(jìn)行更好的晶格匹配。目前商業(yè)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(qū)（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(duì)應(yīng)的發(fā)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(shù)應(yīng)用到AIGaInP LED的生產(chǎn)中是LED制作技術(shù)發(fā)展的一大進(jìn)步，使LED的性能得到了很好的提升。目前在各個(gè)企業(yè)里，制備黃綠光到紅光波段的LED，有源區(qū)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(jié)構(gòu)分析。傳統(tǒng)的GaAsP LED的外延層結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，其功率和各方面性能都比較低。AIGaInP LED在外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜，同時(shí)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)也為AIGaInP LED帶來了更好的性能。目前常見的AIGaInP LED外延層結(jié)構(gòu)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(kuò)展層等。

襯底采用GaAs襯底，其中GaAs襯底的選擇至關(guān)重要，良好的襯底是決定能否外延出高質(zhì)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(cuò)密度EDP<5000的襯底。另外襯底質(zhì)量影響外延層的表面，不合格襯底在外延后，表面出現(xiàn)紅斑和白斑現(xiàn)象，這些外延片制成的芯片，質(zhì)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(zhì)量LED的重要條件。

分布布拉格反射層（DBR）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)被稱為分布布拉格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。布拉格反射層一般是采用AlAs/AlGaAs，將其設(shè)置在LED的襯底與有源層之間，然后可以實(shí)現(xiàn)光的反射。通過研究表明，采用布拉格反射層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以明顯提升光線射出率。布拉格反射層結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的成本較低，而且使用方便。同時(shí)由于這種設(shè)計(jì)提出的歷史較為久遠(yuǎn)，因此技術(shù)相對(duì)比較成熟。國內(nèi)對(duì)于這種技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)比較廣泛，因此在商業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用也很普遍。但是這種設(shè)計(jì)對(duì)于光的反射要求較高，一般只對(duì)特定角度的光進(jìn)行反射，例如垂直角度與小角度的光線，因此這種設(shè)計(jì)對(duì)于大角度的光反射效果較差，仍然會(huì)喪失許多光能。這需要進(jìn)一步地對(duì)DBR的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)，對(duì)后續(xù)提升外量子效率是個(gè)重要方向。

電流擴(kuò)展層目的是為了達(dá)到更高的電流注入。具有高面電導(dǎo)和高透明的厚GaP電流擴(kuò)展窗口層，可以使電流均勻流過結(jié)，以克服p型（AlxGa1-x）0.5In0.5P面電阻高導(dǎo)致的從電極注入的電流主要集中在電極下面流過結(jié)，發(fā)光效率低的缺點(diǎn)。對(duì)于GaP的厚度，一般工藝上要求越厚，電流擴(kuò)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(jìn)一步配合芯片制程來進(jìn)行研發(fā)外延的GaP厚度。

2. AIGaInP LED芯片工藝分析

2.1 倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)，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(dāng)襯底生長外延結(jié)構(gòu)層以后，用化學(xué)腐蝕的方式去除襯底，再與外漏的外延層連接。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著較為良好的電擴(kuò)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(diǎn)是需要去除原來吸收系數(shù)較大的GaAs襯底層，與Si基板進(jìn)行鍵合，在企業(yè)中工藝難度較大，主要表現(xiàn)在工藝流程多、復(fù)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(jìn)一步穩(wěn)定工藝流程，提升良率，降低成本。

2.2 粗糙化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這是一種較為簡潔的提高LED外量子效率的設(shè)計(jì)，由于光在內(nèi)部不斷發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將光在內(nèi)部的反射條件全部破壞，外量子的效率就會(huì)被顯著提高。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以需要對(duì)LED表面進(jìn)行腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)粗糙化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使LED的外量子效率達(dá)到30%以上。

粗糙化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是在LED組件上進(jìn)行粗糙化操作，使其表面具有相對(duì)較為規(guī)則的凹凸性，所以這種設(shè)計(jì)有兩種操作方式，一種是通過在LED組件內(nèi)部進(jìn)行粗糙化設(shè)計(jì)，另外一種是在LED組件上方進(jìn)行粗糙化設(shè)計(jì)，同時(shí)在其背面設(shè)計(jì)一個(gè)反射層，這樣的設(shè)計(jì)可以使LED的外部量子效率達(dá)到40%以上。

通過表面粗糙化處理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是采用對(duì)介面進(jìn)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(duì)LED的表面進(jìn)行處理，因此對(duì)于透明電極會(huì)造成危害，同時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于LED的晶粒其外形一般多以一種立方體的形式展現(xiàn)，而這種形狀下的截面呈相對(duì)平行狀態(tài)，因此光在其中會(huì)全部發(fā)生反射，從而造成了光被有源層的吸收。在這種設(shè)計(jì)下，許多光會(huì)被轉(zhuǎn)化成熱能消散。

改變晶粒外形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是建立在這種基礎(chǔ)上的一種設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)當(dāng)中，光線會(huì)在側(cè)內(nèi)表面發(fā)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(shí)，其他大于臨界值的光則是從側(cè)面射出。光在內(nèi)部傳遞的路程會(huì)被縮短，同時(shí)通過這種設(shè)計(jì)，光可以高效地被引導(dǎo)出來。這種設(shè)計(jì)下，外量子效率可以實(shí)現(xiàn)50%的保留，發(fā)光效率非常高。

2.4 采用ITO電極結(jié)構(gòu)。在外延結(jié)構(gòu)里，GaP主要用于電流擴(kuò)展，常規(guī)芯片工藝中，GaP的厚度越厚，電流擴(kuò)展效果越好。在該工藝?yán)?，電流從電極注入，往GaP層擴(kuò)展，反射光會(huì)受到電極阻擋，降低發(fā)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(shè)計(jì)一層電流阻擋層，目的為了使得電流能往電極周圍擴(kuò)展，電流更多地注入到電極周邊下面的GaP區(qū)域，電流密度更高，發(fā)光效率越好，研究表明當(dāng)GaP越厚，電流仍會(huì)沿著電極下面擴(kuò)展，產(chǎn)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(jié)構(gòu)里，將GaP厚度設(shè)計(jì)在合理的范圍內(nèi)，亮度最亮。該方法在企業(yè)里得到較大的影響，芯片工藝相對(duì)簡單，且良率較高。

結(jié)語

對(duì)于LED的技術(shù)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(shè)計(jì)方法雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(shù)發(fā)展仍然有很長的路要走。在LED技術(shù)不斷進(jìn)步下，在研發(fā)提升外量子效率的同時(shí)也會(huì)帶來許多其他技術(shù)性問題，企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量LED生產(chǎn)和盈利，需要將這些技術(shù)科學(xué)、有效地應(yīng)用到LED生產(chǎn)中。實(shí)現(xiàn)研發(fā)高效轉(zhuǎn)量產(chǎn)，這是未來LED發(fā)展當(dāng)中的重要課題。

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