高亮红绿光四元LED

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1、AlGaInP-LEDsLED(发光二极管)、PD(二极管探测器)最基本的结构相同，都是由PN结组成，为提高器件性能，二者往往都会引入双异质结构及有源层，形成PIN型结构，LED电注入载流子的自发辐射复合以及二极管探测器光生载流子的产生都在有源层内进行，P及N层材料起到窗口作用，有源层与异质材料层形成的势垒又起到对载流子的束缚作用，有利于载流子的辐射复合(对于LED)以及光生载流子的收集与信号输出(对于PD)。但是，二极管探测器属于零偏压或反向偏压、小信号工作器件，器件结构相对简单，而LED，特别是高亮度LED，属于高注入大电流工作器件，因此LED对

2、于低阻电极接触以及电极形状的设计要求更高，有时需要引入一些特殊的接触层，如currentspreadinglayer及currentblockinglayer。另外，对于高亮度LED，光的输出是影响其发光效率的最重要因素之一，需要采用一些特殊结构以提高其光输出效率，如高反射DBRs层(减少衬底的吸收)、透明衬底、共振腔结构、输出面加工等等，使得LED的结构更加复杂，因此，LED器件的结构设计是一件极富挑战性但很有意义的工作。目前，在560nm(黄绿光)~650nm(红光)波段，(AlxGa1-x)yIn1-yP体系材料是唯一一种技术上可行的直接禁带半

3、导体材料，因此在该波段内可望获得较高的内部效率，很适用于发光器件的制备。AlGaInP属于闪锌矿结构，其能带包括单一的导带(最低点在Γ-点，另外两个谷值在X-，L-点)，以及三个价带，价带的Γ-点具有简并的重空穴带和轻空穴带。在Al组分较低时，材料属于直接禁带半导体，随着Al组分的增加，X-点逐渐成为导带最低点，材料变为间接禁带半导体。室温下，禁带宽度随组分的变化可由下式表示：(1)(2)由上式可知，在Al组分为0.58时，X-点成为导带最低点，材料变为间接禁带半导体材料，此时对应材料禁带宽度2.25eV，波长550nm。导带谷值的变化，使得导带电子

4、发生由Γ-谷向X-谷的转移，导致器件自发辐射复合效率的急剧下降，发光效率相应降低，这也限定了AlGaInPLED的波长范围。1．AlGaInPLED的内部电光效率器件的内部电光效率由器件辐射复合与损耗过程确定，一般来说，损耗包括非辐射复合及漏电。自发辐射复合涉及电子和空穴，可表示为：(3)B为辐射复合常数。非辐射复合过程可由Shockley-Read-Hall表示：(4)τe、τh分别为电子和空穴的俘获寿命。在低掺杂浓度下，电子空穴数目基本相当，n≈p，由(3)(4)式可知，Rsp随载流子注入数目的平方变化，而RSRH与载流子数成线性关系。在低注入条

5、件下，即通过器件的电流较小的情况下，非辐射复合占优势，器件光功率与工作电流的平方成正比；在高注入条件下，辐射复合占优势，器件光功率与工作电流成线性关系。Al组分较低时(发光波长<600nm)，漏电损耗会大于非辐射复合，随着Al组分的增加，电子由Γ-谷转移到X-谷，产生一个额外的非辐射复合通道，辐射复合效率会急剧下降至零点，即在AlGaInP-LED发红光时，器件的内部量子效率是由非辐射复合过程决定的，这个与器件材料的质量有很大的关系。2.光的输出高亮度AlGaInP-LED面临的最重要的问题是光由有源层的输出。所有AlGaInP-GaAs体系半导体材

6、料的折射率均在n2≈3~3.5之间，如果LED的输出界面为平面，光直接由LED内部输出至空气中，根据临界角公式，θc介于16.6º~19.5º之间，这样只有极少部分的光会输出。影响光输出的因素还有几个，(1)衬底的吸收，对于GaAs衬底的AlGaInP-LED来说，衬底对于该波段的光不是透明的，这样只有从LED顶部逃逸锥(escapecone)内发出的光会输出体外而对输出效率有贡献，为减小衬底吸收，一般会在AlGaInP-LED衬底上中引入AlGaAs/AlAs体系的DBRs反射镜，并通过控制AlGaAs/AlAs的对数达到控制反射率的目的；(2)电

7、极遮盖，LED的上电极会阻挡一部分光的输出，因此对于电极形状的优化设计非常重要，目前透明电极也开始引入LED器件的制备中；(3)上电极周边的currentcrowing现象，这会引起器件局部电流密度过大，影响器件的发光效率，为克服电极的遮盖及currentcrowing，有时会在有源层上部生长一层透明窗口材料，这样可以增大光由侧面的输出，也可以在一定程度上提高currentspreading，或者引入currentspreadinglayer及currentblockinglayer，如图所示。另外一个需要考虑的问题是，逃逸锥外的光会被DBRs反射而

8、被有源层重新吸收后再次辐射，进入逃逸锥而输出，称为光子回收效应(photon-recyclingeffect