[实用新型]一种高均匀性的红光LED外延结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种高均匀性的红光LED外延结构，属于发光二极管的技术领域。

背景技术

LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的缩写。

在部分半导体材料的PN结中，载流子复合时释放的能量会以光的形式发射，把电能直接转换为光能。通过注入载流子形成发光复合，利用这种注入式电致发光原理制作的二极管就是发光二极管，通称LED。

LED的发光效率和发光颜色取决于制作LED的材料和工艺，目前广泛使用的颜色有红、蓝、绿、白、黄。由于LED工作电压低(仅1.5～3V)，其亮度又能用电压(或电流)调节，并且具有耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时)的特点，被认为是降能耗节电的最佳实现途径。资料显示，LED光源比白炽灯节电87％、比荧光灯节电50％，而寿命比白炽灯长20～30倍、比荧光灯长10倍。另外，LED光源还具有体积小、环保、节能、寿命长、响应快、安全、色彩丰富、可控等一系列独特优点。

1990年之前，半导体发光材料的研究重点是AlGaAs材料，而由于AlGaAs材料的特性，其发光波长最短只能到680nm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AlGaInP材料上去。

最先使用AlGaInP材料的是T.Suzuki等人，他们在1982年时研制了AlGaInP双异质结构的激光器，他们发现Al_0.5In_0.5P/Ga_0.5In_0.5P/Al_0.5In_0.5P双异质结构的光荧光强度是单层Ga_0.5In_0.5P的十倍。1991年，美国HP公司的Craford等人和日本东芝公司研制成功了AlGaInP发光二极管，并于1994年采用MOCVD技术在GaAs衬底上成功外延。其后Craford等人又开发了GaP透明衬底技术，将红色和黄色双异质结材料制成LED，其发光效率提高到20lm/W，这就使LED的发光效率超过了白炽灯的15lm/W，之后又提高到40lm/W，近几年由于采用多量子阱结构，红光LED发光效率能达到73.7lm/W。而采用截头锥体倒装结构技术，红光LED发光效率能达到102lm/W，外量子效率提高了5-7倍。

量子阱作为半导体发光二极管的核心，对LED亮度等参数影响显著。最早的发光二极管通常采用双异质结p-i-n结构，而后又发展产生了双异质结有源层和多量子阱有源层。多量子阱结构能增强对载流子的限制作用，减小载流子的泄露，另一方面，对于铝镓铟磷发光二极管还可以利用量子尺寸效应在不增加Al组分的情况下得到较低的发射波长，从而实现较高的辐射效率及较高的亮度，同时减小光谱峰半高宽，并提高器件的可靠性。多量子阱的结构设计，首先要考虑的是能够在尽量低的A1组分阱区材料下获得特定的波长。在量子阱中，电子沿生长方向的运动受到限制，而其在生长平面内的运动仍然自由，因此量子阱材料也被称为二维材料。红光LED的量子阱有源区通常都很薄，厚度仅几十到几百nm，对应的单一量子阱结构的势阱和势垒的厚度仅有十几nm，这对材料生长控制的各项工艺参数有很高的要求。

目前LED的材料生长主要依靠MOCVD完成，典型的MOCVD设备由气体、MO源输运系统和反应室，以及尾气处理和控制系统构成，气体、MO源输运系统的功能是向反应室输运各种经过浓度和流量控制的反应物，通常具有流量控制、压力控制等功能。反应室系统是MOCVD的核心部件，在反应室内，输运系统提供的反应物在高温下裂解，并在衬底材料的表面发生反应进行外延生长。反应完后的剩余气体和反应残余物，通过尾气系统排出。而控制系统对流量、压力、温度和时间精确的控制贯穿外延生长的全过程。随着反应的进行，各类不同的反应物在衬底表面外延出不同组分的材料，逐步实现实验或生产需要的整体外延层结构。

LED具有广泛的波长范围，也是未来发展清洁能源的有效手段之一，如何在现有手段提高单片产出率成为了现阶段工作的重点。目前的LED结构主要是在2寸或者4寸GaAs衬底上生长AlGaInP材料，来获得高亮度LED。虽然AlGaInP红光LED的研究已经取得很大的进展，一台MOCVD一炉可以实现3-60片的产量，但是受衬底表面氧化层和边缘外延材料沉积效率影响，以6.2mil管芯小于40mcd为例，目前LED外延片普遍在5％-15％，严重影响单片产出率，如何提高外延片边缘良率成为目前重点研究的方向。