高效InGaN基LED

盡管氮化鎵基III-V族半導(dǎo)體有一些嚴(yán)重缺陷，如高位錯密度和強(qiáng)極化效應(yīng)，但其已成為一個充滿希望的光源材料。最近，GaN基發(fā)光二極管（LED）正在迅速擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，特別是需要超高亮度的領(lǐng)域，如大尺寸屏幕的背光單元和取代傳統(tǒng)熒光燈和白熾燈泡的固態(tài)照明系統(tǒng)。因此，為了滿足先進(jìn)應(yīng)用的要求，實(shí)現(xiàn)高效率變得非常重要。要制作一個高效率LED，應(yīng)仔細(xì)優(yōu)化LED的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。

1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是和內(nèi)量子效率（IQE）、光強(qiáng)與注入電流（L-I）的線性度、正向電壓（ Vf ）和靜電（ ESD ）密切相關(guān)的。

（1）內(nèi)量子效率（IQE）：眾所周知，InGaN基LED的IQE主要受位錯密度、多量子阱中的壓電場和量子阱橫向形狀等的影響。許多研究小組正在研究非極性和極性GaN襯底，通過降低位錯和極化效應(yīng)來最大限度增加IQE。量子阱橫向形狀可以通過量子下的應(yīng)變弛豫層和兩個溫度生長中的熱退火等生長條件加以控制。

（2）L-I線性度：L-I線性度是大電流工作條件下LED的一個重要問題。為了改善L-I線性度，大電流工作條件下載流子的溢流和缺陷導(dǎo)致的非輻射復(fù)合應(yīng)盡量減少。載流子的溢流可通過具有較高能帶的AlGaN電子和空穴阻擋層降低。量子阱中的勢壘波動形成的載流子定位效應(yīng)有助于增加載流子限位和減少缺陷效應(yīng)。

（3）正向電壓（Vf）：雖然正向電壓主要是由材料的能帶決定，但是其也受到量子阱中載流子的輸運(yùn)壘及N型和P型GaN薄層電阻的影響。因此，選定量子阱中量子勢壘的參雜可有效地降低Vf。然而，為了以降低N型和P型GaN的薄層電阻而過高地參雜硅和鎂，將降低晶體質(zhì)量。過高的硅摻雜（1019cm-3的中間范圍）將在N型GaN層中導(dǎo)致很高的壓應(yīng)力，并形成表面裂縫。另外，使用鎂參雜超過1020cm-3會產(chǎn)生反向金字塔形反轉(zhuǎn)疇界（IDB）缺陷。因此，調(diào)制摻雜和改善載流子遷移率可能是降低GaN晶體薄層電阻并得到良好晶體質(zhì)量的解決方案。

（4）靜電（ESD）：氮化鎵LED由于其位錯密度高（108~1010 cm-2）和采用橫向器件結(jié)構(gòu)的形式，通常其抗ESD能力非常微弱。然而，具有優(yōu)化了的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的LED卻顯示出穩(wěn)定的ESD性能，在人體模式下可抗幾千的反向電伏。據(jù)了解，N型和P型GaN中的場擴(kuò)散和GaN晶體質(zhì)量是抗靜電的關(guān)鍵因素。N和P型GaN層中的調(diào)制摻雜和超晶格結(jié)構(gòu)有利于電流和場擴(kuò)散。

2、外部結(jié)構(gòu)

LED優(yōu)化的外部結(jié)構(gòu)可以提高其性能，如出光效率（LEE）、熱效應(yīng)、電流擴(kuò)散和ESD 。

（1）出光效率（LEE）：提高出光效率的技術(shù)可以分為三類，即芯片成型、表面紋理（粗化）和圖案襯底（PS） 。芯片成型技術(shù)包括襯底成型用以改變光線方向和外延層成型用于形成小角度角反射以引導(dǎo)平面光到表面。表面紋理（粗化）有多種方法，如利用低溫生長在表面形成高密度的V 型坑、使用自掩膜形成亞微米突出 、光子晶體或自掩膜干法和濕法腐蝕。另外，PS也是一種制造高效LED很有前途的技術(shù)。PS的LEE取決于圖形的形狀、高度、大小和整體布局。除了出光效率，PS還可以通過側(cè)向覆蓋生長效果減少位錯密度。

（2）熱效應(yīng)：LED的熱管理是高功率LED的一個敏感問題。藍(lán)寶石襯底的LED ，芯片倒裝結(jié)構(gòu)和背面金屬（BSM ）是常用用來改善散熱問題。為了進(jìn)行更有效的散熱，具有高導(dǎo)熱支撐層的垂直結(jié)構(gòu)LED是一個很好的解決辦法。

（3）電流擴(kuò)散：橫向結(jié)構(gòu)器件中的電流擁擠現(xiàn)象嚴(yán)重影響器件的可靠性和IQE。在橫向器件結(jié)構(gòu)中，光刻圖形的設(shè)計和透明電極金屬（ TM ）的薄層電阻是均勻電流擴(kuò)散的關(guān)鍵因素。TM的薄層電阻應(yīng)與N型GaN 層平衡。

（4）靜電（ESD）：如同在內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分解釋的，ESD是實(shí)現(xiàn)LED可靠運(yùn)作的一個重要參數(shù)。一個保護(hù)性二極管是通常與主LED連接，當(dāng)有反向峰值時其呈現(xiàn)開啟狀態(tài)。硅的齊納二極管通常用于這一功能，另外還可以通過將GaN反向LED與主LED集成來實(shí)現(xiàn)。