algainp四元led发光强度的研究

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1、AlGaInP四元LED发光强度的研究第一章绪论1.1引言照明一直与人类文明的发展和社会的进步紧密联系在一起。当人类掌握了用火进行照明，学会了钻木取火后，人类文明也就由此得以发祥了。原始社会里，人类发现了火的用法，使人类从漫漫长夜中解脱。夜间照明从燃烧木柴，再到油灯蜡烛，不断进步，人类进行生产和社会活动的时间得以逐渐延长，这给人类社会带来了早期文明的巨大进步。1886年，爱迪生发明了白炽灯，标志着照明的第二次革命的开始，这使得人类生产及社会活动的时间延长到了全天，极大地推动了人类社会的文明进程[

2、1]。但是，随着白炽灯的发展，其带来的能源和环保问题也是不容忽视的。在白炽灯发明的一百多年里，其发光效率一直十分低下。白炽灯的电光转换效率只有大约10%[2]，其消耗的电能，所燃烧的煤和石油每年产生数以亿吨计的CO2。二十世纪三十年代以来，荧光灯、高压气体放电灯和节能灯的相继发明有效地提高了发光效率。经过近一个世纪的发展，其光效已提高到80-100lm/ousauto两大公司组织进行了红色发光二极管的大规模批量生产。我国在六十年代末的研究水平与国外基本持平。随后LED的开发和研制，越来越被各国高

3、度重视。随着GaAsPVPE方法的不断改进，LED的性能与之前相比有所提高。由于GaAsP材料只能用于红光LED的制备，人们又开始研究LPEGaP，用以发展其它颜色的LED，但是，GaP材料为间接带隙，导致其发光效率低，所以无法将产品进行商业化生产。70年代早期，人们发明了GaAsP,GaP等电子掺杂技术，使红、黄、橙、绿LED的发光效率增加了十倍[7]，上述材料的主要特点是采用P-N同质结构，有源区的掺杂根据不同的发光颜色采用Zn、O、N等。虽然通过等离子掺杂等方法可极大地提高GaAsP,Ga

4、PLED的发光效率，但由于此类材料属于间接跃迁，进一步提高转换效率困难很大。因此人们为了获得更高效的LED器件，在80年代初期将研究重点放在了具有直接带隙的AlGaAs材料上,采用LPE方法生长的AlGaAsGaAs红光LED的亮度比最好的GaPLED的亮度提高了2-3倍[8]。但带来了另一个问题是由于生长AlGaAs所用的GaAs衬底对可见光吸收严重。为此人们开始研究AlGaAs透明衬底。到80年代末采用LPE制备的AlGaAsLED的亮度有了进一步提高。然而AlGaAs材料存在两个本质问题

5、无法解决。第一，AlGaAs在x=0.45时，AlGaAs材料从直接带隙变为间接带隙。因而随着Al值的增加，AlGaAs材料间接带隙成份增加，使发光效率下降[9]。因此，采用AlGaAs制备低于650nmLED存在困难。第二，若要降低发光波长，有源区必须含有较高A1值，而Al值提高，材料就会出现氧化问题，导致器件寿命变短和衰减速度加快，从而影响此类器件的应用。90年代初期，由于MOCVD的技术的不断成熟，具有当时最大直接带隙的AlGaInP材料成为研究的热点[10]。通过组份调节，此材料可以与G

6、aAs衬底匹配。由于此类材料具有发光效率高、Al值低等特点，且制备的LED发光波段可覆盖红、橙、黄和黄绿光(650nm-550nm)。所以此类器件的研制成功，极大地促进了LED的发展。但是由于与AlGaAs存在同样问题，即GaAs衬底的光吸收问题阻碍了效率的进一步提高。为此，人们采取了多种方案，例如，表面粗化技术、DBR技术、GaP掺杂技术等。此方面的内容将在后几章将作详述。另外，GaN及其蓝、绿光LED的出现和快速发展，是MOCVD技术的另一个伟大奇迹。它的发展与AlGaInP几乎同步，由于高

7、亮度蓝、绿光LED的出现，使全色显示成为可能。日本Nakamural教授在1993-1995年期间，采用MOCVD技术研制成功了GaN基蓝、绿光LED技术，轰了全世界。通过近十年的发展，蓝、绿及其白光LED己广泛应用。.......第二章高亮度AlGaInPLED的原理及使用设备2.1半导体发光二极管的发光原理非平衡载流子的辐射复合是发光二极管能够发光的基础。半导体中电子和空穴的复合可以分为辐射复合和非辐射复合，辐射复合是导带中的电子和价带中的空穴复合后将多余的能量以光子的形式释放出来，而非辐射

8、复合在复合的过程中不发出光子，而以声子的形式传给晶格，加强晶格震动，或是将能量赋予其他载流子，增加他们的动能。制作发光二极管的材料中存在的杂质、晶格缺陷使半导体的能带结构复杂化，导致发光二极管的有多种形式的复合现象，下面将分别介绍辐射复合和非辐射复合。辐射复合主要有多种复合形式，下面将主要介绍带间辐射复合。带间辐射复合发射的光子能量接近等于导带体材料的禁带宽度Eg，他是导带中电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。带间辐射复合是靠在接近能带边缘的那些能级上的电子与空穴的复合来实现的，是本征吸收的逆