提高內(nèi)量子效率IQE

1、提高內(nèi)量子效率提高內(nèi)量子效率(IQE)成員：安如陽、易小斌、陳榮昌、葉武海、何超文LED外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率(IQE)對(duì)芯片的發(fā)光亮度有著決定性的影響。有些人誤解為IQE由MOCVD工藝決定，其實(shí)IQE應(yīng)該是由外延材料的設(shè)計(jì)決定。而國內(nèi)缺少的恰恰是外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人才，只會(huì)用設(shè)備的人不一定能夠長出高質(zhì)量的材料。半導(dǎo)體材料的選擇 右圖示出了-及-族元素的帶隙(Bandgap)與晶格常數(shù)(Lattice Constant)的關(guān)系。 直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體，選擇哪一類半導(dǎo)體更能提高內(nèi)量子效率呢？ 直接帶隙材料的導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂在同一K空間，電子與空穴可以有效地再復(fù)合，躍遷復(fù)合發(fā)光概率大。發(fā)光復(fù)合發(fā)光概

2、率大對(duì)提高發(fā)光效率是必要的，因此發(fā)光二極管經(jīng)常用直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)的晶體制作。圖1.直接帶隙圖2.間接帶隙內(nèi)量子效率的定義內(nèi)量子效率（int）是一個(gè)微觀過程復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)與復(fù)合載流子總數(shù)之比。因?yàn)闊o法去計(jì)數(shù)復(fù)合載流子總數(shù)和產(chǎn)生的光子總數(shù)。因此一般是通過測量LED輸出的光功率來評(píng)價(jià)這一效率。直接躍遷過程比間接躍遷過程簡單，其內(nèi)量子效率取決于少數(shù)載流子的輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合的壽命。直接躍遷的內(nèi)量子效率可以表示為從上式可見，提高內(nèi)量子效率主要在于提高材料的純度、完整性和改進(jìn)PN結(jié)制作工藝的完美性，以降低非輻射復(fù)合中心的濃度。間接躍遷的復(fù)合輻射過程是通過一些發(fā)光中心來實(shí)現(xiàn)的，這就使得過程復(fù)雜化

3、，間接躍遷過程的內(nèi)量子效率可粗略地表示為 恰當(dāng)選擇發(fā)光中心，使它具有較高的濃度及適當(dāng)?shù)碾婋x能和大的復(fù)合截面，并盡可能提高材料純度和完整性，以降低焠滅中心的濃度，提高i。復(fù)合的類型 輻射型復(fù)合，伴隨光的輻射復(fù)合，電子與空穴復(fù)合釋放的能量產(chǎn)生光子。常見的復(fù)合方式：1、電子與空穴的碰撞復(fù)合、2、通過雜質(zhì)能級(jí)的復(fù)合、3、通過相鄰能級(jí)的復(fù)合、4、激子復(fù)合。 非輻射型復(fù)合，不伴隨光輻射的復(fù)合，電子與空穴復(fù)合釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。常見的?fù)合方式：1、伴隨多數(shù)聲子的復(fù)合、2、俄歇復(fù)合、3、器件表面的復(fù)合。輻射型復(fù)合直接帶隙材料中，電子和空穴復(fù)合時(shí)，其發(fā)光躍遷有多種可能性，如圖所示，圖7與圖8是一般AlGaIn

4、P紅光LED產(chǎn)生光的原理，而圖9是AlGaInN的藍(lán)光及綠光LED的產(chǎn)生原理a.帶間復(fù)合b.自由激子相互抵消c.在能帶勢能波動(dòng)區(qū)，局部束縛激子的復(fù)合 因雜質(zhì)而產(chǎn)生的發(fā)光再復(fù)合過程KT/ -expn/ 1/1ENt0tiENllpa.受主與導(dǎo)帶復(fù)合b.施主與價(jià)帶復(fù)合c.施主與受主復(fù)合d.激子的再復(fù)合輻射和非輻射之間的競爭決定了LED的內(nèi)量子效率：式中， 非輻射復(fù)合中心密度 非輻射復(fù)合中心能級(jí)密度 輻射復(fù)合中心密度 輻射復(fù)合中心能級(jí)密度 非輻射復(fù)合概率 輻射復(fù)合概率 n、p 自由電子和空穴濃度 NtEtNlNlEl0 由內(nèi)量子效率的表達(dá)式可以顯而易知，發(fā)光中心密度大，非輻射復(fù)合中心密度小，發(fā)光中心

5、淺，自由電子密度越大，則內(nèi)量子效率越高。 制作發(fā)光二極管的原材料和各道加工工藝均要避免非輻射復(fù)合中心如位錯(cuò)和深能級(jí)雜質(zhì)的引入，這是提高內(nèi)量子效率的重要措施。異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)是由兩塊不同帶隙能量的單晶半導(dǎo)體連接而成的。 理想的異質(zhì)結(jié)是由晶格參數(shù)失配很?。ㄐ∮?.1%）的材料制成。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) 雙異質(zhì)結(jié)是由一層窄帶隙P型有源層夾在n型和p型的寬帶隙導(dǎo)電層中。 雙異質(zhì)結(jié)增加了有源區(qū)中過剩載流子的濃度，從而增加了輻射復(fù)合的概率。雙異質(zhì)結(jié)LED的能帶圖 利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，會(huì)使得材料組分的變化引起帶隙的變化。 當(dāng)然，單異質(zhì)結(jié)構(gòu)和雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)都要求材料之間具有較好的晶格匹配。晶格常數(shù)相差較大，異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)

6、生很高的缺陷（通常是位錯(cuò)）密度，晶格缺陷會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合。 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的有源層變薄能增加輻射復(fù)合概率和減小再吸收。量子阱 量子阱結(jié)構(gòu)（QW）：有源層的厚度可以和晶體中電子的德布羅意波長相比擬或比它小，載流子會(huì)被量子限域。量子阱結(jié)構(gòu)是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種特殊結(jié)構(gòu)。量子阱能帶圖電子阻擋層的量子阱 在量子阱和P型導(dǎo)電層之間以帶隙更寬的P型材料（Eg3Eg1Eg2）制作電子阻擋層，防止電子漏入P型導(dǎo)電區(qū)來提高注入效率。 有源層是一個(gè)右邊和左邊勢壘為U1和U2的非對(duì)稱QW多量子阱 多量子阱：兩種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長形成的多層結(jié)構(gòu)，勢壘層足夠厚，相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，多層結(jié)構(gòu)形成許多分離

7、的量子阱。簡單而言，就是由多個(gè)勢阱構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)。 上圖是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) 下圖是多量子阱結(jié)構(gòu)比較4個(gè)500埃厚的量子阱，2000埃厚及7500埃厚的DH 在室溫，592nm時(shí)的發(fā)光效率與電流的關(guān)系。光子循環(huán) 光子循環(huán)是自發(fā)的光沒有被吸收而被活性層吸收再變成載流子，可以節(jié)省電流、增加內(nèi)量子效率。 光子循環(huán)有個(gè)局限性，就是大面積才會(huì)有明顯的效果。改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1.改善電流分布NoImage簡單介紹一下簡單介紹一下材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)IQE的影響的影響 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：兩側(cè)的覆層（Cladding Layer）的禁帶寬度要大于活性層（Active Layer），AL采用量子阱結(jié)構(gòu)能更好的限制

8、載流子，提高IQE。然而，采用量子阱AL，阻礙載流子在相鄰阱的移動(dòng)，所以采用多量子阱結(jié)構(gòu)，Barrier需要足夠透明（低和薄）以 防止載流子在每個(gè)阱內(nèi)的不均勻分配?；钚詫樱ˋctive Layer） 活性層（Active Layer）厚度也對(duì)IQE有很大影響，不能太厚，也不能太薄，每種材料有其最佳范圍。 活性層參雜：活性層絕對(duì)不可以重參雜，要么輕參雜，低過覆層（Cladding Layer）的參雜濃度，每種材料有其最佳范圍，活性層經(jīng)常也不參雜。 活性層使用p型參雜多過使用n型參雜，p型參雜可以確保載流子在活性層內(nèi)的均勻分布。 活性層參雜有好處也有壞處，參雜濃度增加，輻射載流子的壽命縮短，導(dǎo)致輻

9、射效率增加。但是，高濃度參雜也引入缺陷。有趣的是MOCVD生長在有些時(shí)候還依賴于參雜，雜質(zhì)可以作為表面活化劑，增加表面擴(kuò)散系數(shù)，從而改善晶體質(zhì)量。例如，InGaN使用Si參雜可以改善晶體質(zhì)量。覆層參雜覆層（Cladding Layer）參雜：覆層的電阻率是決定覆層濃度的重要參數(shù)，濃度一定要低到不足以在覆層中產(chǎn)生熱效應(yīng)，但是覆層參雜又必須高過活性層（AL）用來定義PN結(jié)的位置。每種材料有其最佳范圍。但是p型濃度典型要高過n型。覆層中p型雜質(zhì)濃度過低將使電子從AL中逸出，從而降低IQE。晶體中雜質(zhì)和缺陷紅外輻射復(fù)合中心：禁帶中形成深能級(jí)的Au、Cu、Cr等重金屬，Na、Li等堿金屬，以及O、C等元

10、素。非輻射復(fù)合中心:晶體中的位錯(cuò)是PN結(jié)面不平而導(dǎo)致輻射不均勻或者使雜質(zhì)向位錯(cuò)線集結(jié)。PN結(jié)移位：PN結(jié)移位會(huì)影響IQE，特別是Zn、Be等小原子，可以輕易擴(kuò)散過活性層(AL)，到下覆層(CL)。同時(shí)，Zn、Be的擴(kuò)散系數(shù)非常依賴濃度，當(dāng)濃度超過極限，擴(kuò)散速度大大提高，所以制造時(shí)必須格外小心。材料中存在紅外輻射復(fù)合中心和非輻射復(fù)合中心會(huì)減低可見光的發(fā)光效率。晶格匹配：晶格不匹配增大，晶格位錯(cuò)線呈現(xiàn)黑色，導(dǎo)致IQE下降。雖然GaAs和InP中晶格匹配與IQE有很強(qiáng)的關(guān)系，但GaN中這種關(guān)系卻不明顯，這主要是GaN中位錯(cuò)的電學(xué)活性很低，另外，載流子在GaN的擴(kuò)散長度很短，如果位錯(cuò)間的平均距離大于擴(kuò)散長度，特別是空穴的擴(kuò)散長度，那么位錯(cuò)上的非輻射復(fù)合就不嚴(yán)重。另外一種解釋是，InGaN之所以具有高效率是因?yàn)榛衔锏某煞植▌?dòng)限制了載流子擴(kuò)散到位錯(cuò)線。緩沖層在襯底上生長一層緩沖層可以減少因外延層與襯底間晶格失配引起的大量位錯(cuò)。例如在藍(lán)寶石襯底上生長簡單GaN緩沖層其位錯(cuò)密度仍在108109個(gè)每平方厘米，但是通過側(cè)向過生長