第五章 AlGaInP 发光二极管
Ⅰ 导 言
自从60年代初期GaAsP红色发光器件小批量显现进而十年后大量量生产以来，发光二极管新材料取得专门大进展。最先进展包括用GaAs1-xPx 制成的同质结器件，和GaP掺锌氧对的红色器件，GaAs1-xPx掺氮的红、橙、黄器件，GaP掺氮的黄绿器件等等。到了80年代中期显现了GaAlAs发光二极管，由于GaAlAs材料为直接带材料，且具有多发光效率的双异质结结构，使LED的进展达到一个新的时期。这些GaAlAs发光材料使LED的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard公司和东芝公司别离提出了一种以AlGaIn材料为基础的新型发光二极管。由于AlGaIn在光谱的红到黄绿部份都可取得很高的发光效率，使LED的应用取得大大进展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示和交通信号灯。
简单的同质结器件是利用氢气相外延生长GaAsP层，或利用液相外延生长GaP层，通过掺入杂质如Zn、Te产生pn结, 关于GaAsP器件，由于在GaAs和GaP衬底上生长外延层存在外延层和衬底间晶格不匹配的问题，用这种材料做成异质结器件不大可能。而GaAlAs和AlGaIn可长成晶格匹配的异质结器件（在GaAs衬底上生长）。这两种材料是直接带半导体材料，其合金范围较大，通过改变铝合金组份，能够长成适合的晶格匹配层。图（1）给出用不同材料制成的同质结和异质结LED外延结构图。
图1. 利用不同材料的各类发光二极管( LED )例子:(a)典型的GaAsP器件;(b)单异质结GaAlAs 器件;(c) GaAlAs 吸收衬底(AS)双异质结(DH)LED;(d) GaAlAs 透明衬底DH LED;(e) 吸收衬底ALGaInP DH LED。
由于含铝气体关于石英容器具有侵蚀性，一般的气相外延不能够生长含铝合金。关于AlGaAs材料，通常采纳液相外延技术，专门关于发红光的器件，在液相外延进程利用在Ga溶液中发生的消氧效应，能够制成内量子效率达到50%，波长约650nm的发光二极管。关于AlGaInP发光二极管，由于在溶液中铝分离，液相外延方式不是一种适合的方式，关于(AlxGa1-x)InP (晶格和GaAs衬底匹配)和掺铝较少的AlGaAs红外发射器件，利用金属有机化合物气相外延技术（OMVPE）。也能够利用分子束外延生成优质的AlGaInP材料和器件，尤其是激光二极管。但是，就制造OMVPE AlGaInP发光二极管和激光二极管而言，OMVPE是起主导地位的晶体生长技术。OMVPE生长使迄今为止发光效率最高的AlGaInP发光二极管实现了批量生产（关于AlGaInGp OMVPE生长的完整讨论见第四章），这主若是因为OMVPE工艺改良了材料质量，提高了生长速度且其价钱为客户所能接受，事实上，当前用OMVPE 生产AlGaInP LED标志着这种生产技术已经真正利用于光电子器件的批量生产。
OMVPE是一个高度可控的薄膜生长进程，生长层的组份，搀杂水平和厚度能够别离操纵从而产生一个复杂的异质结器件。进程的灵活性使得能够长成阻碍电流流过器件某一区域的阻挡层和散布型布拉格反射器（这种反射器光从吸收衬底出来后返回芯片顶部）。为了增加光的输出和电流的传播，可将如气相外延等补偿技术与OMVPE相结合以产生厚的窗口层，还能够利用化合物半导体晶片键合技术用一个透明的GaP衬底取代原先不透明的GaAs衬底从而完全排除衬底的吸收。这些改良正在被用于AlGaInP发光二极管的制造从而取得尽可能高的发光效率。 本章重点介绍优质AlGaInP LED器件的进展和制造，描述AlGaInP LED激活层的设计，AlGaInP合金材料的性质。第二讨论为了提高光输出LED结构的特殊部份，包括电流扩散层，电流阻挡层和窗口层。然后描述可提高性能的光输出技术如布拉格反射器，透明衬底的晶片键合等技术，接着简单介绍AlGaInP LED晶片的制造进程，讨论AlGaInP 器件的性能，包括效率，颜色，电性能及靠得住性等。最后论证AlGaInP LED器件的市场和前景。
Ⅱ 激活层设计
相关于其他 Ⅲ-Ⅴ半导体材料 ( 除以氮为基础外 )，AlGaInP合金具有最大的直接带隙，相应有从红到绿的发射光谱，这使得它成为制造激光器和直接带隙LED最具吸引力的材料。由于这些直接带隙发射器的效率，存在大大超过量数一般间接带隙发射器（如GaAsP，掺氮的GaAsP（GaAsP：N），GaP，掺氮的GaP（GaP：N）的可能，从而增进了对AlGaInP LED的研究。 最先用这种材料制成的光发射器是由块状和异质结InGaP组成的，在AlxGa1-xAs中Ga代替Al的能力致使具有较大带隙四元合金（AlxGa1-x）In1-y P的显现且能够形成晶格匹配的异质结，因为AlP和GaP有几乎相同的晶格y常数（别离为和），能够很容易的通过调整四元合金中 (In)的克分子含量来实现晶格匹配。 事实上，和每种Ⅲ-Ⅴ半导体发光化合物一样，AlGaInP LED为了取得高的发光效率，必需有低的晶体缺点密度。GaAs是唯一可和（Al x Ga1-x）y In1-y P实现晶格匹配的二元化合物半导体衬底（晶格常数为）, 晶格匹配发生在Y～0.5以上的整个组分范围。另外，（AlxGa1-x） In1-0.5 P合金和GaAs的热膨胀系数超级接近，这使得热循环（从室温到800℃以下的生长温度）进程可不能产生有害的晶体缺点。许多人试图由块状材料或在晶格不匹配的衬底上制成InGaP LED。已经在GaP，GaAs和GaAsP假衬底上制成晶格不匹配的同质结InGaP LED。另外，已经在GaAsP假衬底上制成晶格不匹配的（Al xGa1-x） In0.35 P LED。尽管利用了各类各样的晶体生长技术，材料组份和器件设计，可是，和在GaAs上生长晶格匹配的（AlxGa1-x）In0.5 P相较，由于这些器件包括了很多晶体位错和缺点，事实上限制了其性能。迄今为止所报导效率最高的非晶格匹配器件是在透明的GaP衬底上用气相外延方式生长的InGaP 同质结LED，在λ～590nm处，其最高效率可达到～10 lm/A（外量子效率～0.9%）。尽管这些器件的效率是商业化GaAsP：N GaP LED的3～4倍，可是，和晶格匹配最好的（Al Ga1-x） InPx器件比较仍差一个品级。 1. 能带结构 a. 带隙能量
（AlxGa1-x）In0.5 P合金和GaAs晶格匹配致使最优质晶体的显现，因此取得效率最高的LED材料。为了取得最正确的LED结构设计，必需了解（AlxGa1-x）In0.5 P合金的能带结构知识。已经在（AlxGa1-x）In0.5 P合金中观看到合金组份和带隙能量之间关系的特殊行为（达到190mV的时候这种行为减少）。这种现象被说明为在Ⅲ族衬底上In 和Ga（或Al）原子的排列致使沿｛111｝晶面显现一个单层（In P）—GaP（或In P —AlP）超点阵。在AlGaInP中原子的排列在第四章中详细讨论。因为初期AlGaInP LED是在短波范围应用，无序合金被以为是高能带隙的结果。关于相同的波长，无序合金的含铝量比有序合金低，通常以为较低的铝含量具有较少的非辐射复合中心，因此有利于长成优质材料。另外，已经证明无序AlGaInP合金的光致发光光谱宽度较有序合金窄。因此，优质的AlGaInP LED一般是用无序材料制造的。无序合金一般是在无确信晶向的衬底上生长，改变外延生长条件或两种方式同时利用而取得，本章余下部份集中讨论由无序合金制造的AlGaInP LED器件。
关于无序的（AlxGa1-x）In0.5 P合金，300K时能隙与合金组份的关系如图2所示。这些关系是在静压条件下对（Al x Ga1-x） In0.5 P晶体进行低温（2K）测量取得的。考虑到300K时带隙的转变，Γ带的数据约减少70meV，因此，直接（Γ）带隙随组分的转变由下式给出： EΓ（x）= 1.91+0.61x ( eV ) (1)
一样，间接（X）带隙减少70meV，结果，300K时带隙和组分之间的关系由下式给出： Ex（x）= 2.91+0.085x ( eV ) (2)
图2. 由低温（2K）压力测量取得的无序（AlxGa1-x）InP合金室温(300K)时带隙能量及相应的Γ带和X带发射波长与合金组份的关系。室温时，直接-间接交点出此刻合金组份X=0.53时,对应的发射波长为555 nm 。
图2的能隙关系说明（AlxGa1-x）In0.5 P合金由550nm到650 nm是直接带，另外，这些关系说明Γ和X能隙随组分的转变是线性的。这和迄今为止报导的实验数据是相一致的。这种现象被以为是因为AlP和GaP具有类似的晶格常数，化学无序的阻碍较小。这种线性转变形成了这种合金的各类要素。不同研究者测量取得的EΓ关系式是一致的。Ex关系在合金组份x=0.53时，在2.23 eV (550 nm) 处
显现Γ±0.02是接近的。另外，交叉波长555nm与用（AlxGa1-x）In0.5 P合金材料制造的最短波长的LED相一致。一样地，在（AlxGa1-x）In0.5 P合金观看到77K时，最短发射波长出此刻激活区组份x～0.56处。因此，大量数听说明：交叉点出此刻合金组份范围x=0.5到0.6处，那个结果和等式（1）和（2）相一致。
等式（2）Ex关系式和以前其他工作者求得的结果和对AlP，GaP，InP 应用Vegard定律取得的结果有专门大不同。这些数据结合等式（1）EΓ关系式说明当x=0.7时，Γ- X交叉能量为2.3V，这意味着在等式（2）中，x导带减少，能隙较低，交叉能量相应减少～70 meV。那个2.23V的间接交叉能量限制了可见光谱在深绿部份的发射效率。结果当合金组分由黄（λ～590 nm）转为黄绿时，LED的效率大大降低，这和第Ⅶ部份第1节所讨论是一样的。另外，X最小值处能隙能量较低增加了取得充沛的束缚电子的困难 (见第Ⅱ部份第2节)。
理论上已经求得300K时，GaIn0.5 P合金L最小值位置在Γ最小值以上100～200 meV处。进一步的理论研究估量在x=0.52时，L带在Γ带上方～40 meV处。未有实验能够证明在（AlxGa1-x）In0.5 P中L最小值位置的存在。静高压测量说明在整个合金范围，位于能隙上方的L最小值，与x=0时比较，至少有120 meV的误差。 b. 载流子有效质量
载流子有效质量在LED设计中是很重要的，因为它们决定了能级密度，因此决定了异质结LED激活层和束缚层中载流子在直接带和间接带中的散布。当直接—间接跃迁趋于接近时，在求辐射效率，载流子注入效率和器件中的载流子束缚时，这些值变得专门重要。在Γ带中能级密度电子有效质量和合金组分之间的关系由下式给出：
2
meΓ) m0 (3)
目前没有（AlxGa1-x）InP，InP，或AlP在X带中电子有效质量的资料。但是，X带有效质量和阳离子种类无关，如此，能够通过GaP中X带能级密度电子有效质量近似求得： mex(x)= mex (GaP)=0.82 m0 (4) 重空穴和轻空穴有效质量可由下式给出：
mhh(x)= (0.62+0.05x)m0 (5) mlh(x)= (0.113x)m0 (6)
3/2 3/2 3/2
依照这些值，可由关系式mh(x)=[ mhh(x)+ mlh(x) ]求得有效空穴质量。注意在（AlxGa1-x）In0.5 P系统中有效束缚能级载流子质量比在Al x Ga1-x As系统要高得多，这些参数关于LED器件的设计有许多阻碍。在异质结器件中，直接能带和间接能带能级密度和载流子注入和束缚一样重要。 C . 能带偏移
异质结能带偏移知识关于光电器件结构的适当设计是很重要的，已用不同技术在（AlxGa1-x）In0.5 P中测到能带的偏移，这些技术包括低温PL分析，吸收测量，电容—电压曲线，静高压测量和内部光发射。能够通过测量导带和价带的偏移求得能带的偏移，然后用能隙关系知识求得其他带的偏移。图3画出从许多研究人员处取得的导带偏移（ΔEC）和价带偏移（ΔEv）,其中已由能隙关系式即等式（1）和等式（2）对数据做了调整。导带偏移表达式由下式给出： ΔEC（xx (eV) x≤0.53 (7) ΔEC（x x (eV) x＞0.53 (8) 价带偏移由下式给出:
ΔEv（x x (eV) (9)
尽管这些数据较为分散, 可是, 图3说明合金组份x=0.5～0.7时, 最大导带偏移～0.2 eV。当铝的克分子数较大时，由于Γ带和X带显现交叉，导带偏移减少。最大价带偏移～0.2 4eV，发生在合金组分x=1.0时。另外，已经测量到，GaInP相关于GaAs的导带偏移为0.20～0.25 eV。
图3. 无序（AlxGa1-x）InP相关于GaInP导带和价带能量偏移与合金组份的关系。导带最大偏移（△EceV,出此刻X = 0.5～0.7时, 价带最大偏移（△Ev）出此刻AlIn eV。
2. 双异质结器件
几十年前就已经明白利用异质结能够改良发光二极管的性能。因为异质结LED提供了以下固有的优势: 提高了电子和空穴的注入效率, 把注入载流子束缚在激活层, 透明窗口和衬底层的形成改良了电流的扩展和光的输出。以AlGaAs为基础的器件第一次成为利用异质结的有效器件从而改良了载流子的束缚和提高了注入效率。最初的器件是由单异质结（SH）激活区组成。但是，已经证明利用双异质结（DH）能够取得最大的益处。迄今为止效率最高的红色AlGaAs LED 确实是利用DH激活区制造的，在300K时，其外量子效率可达到18%。
扩大AlGaAs DH 发光二极管和（AlxGa1-x）InP发光二极管的知识第一要研究DH激活区。一个典型的（AlxGa1-x）InP DH 发光二极管激活区的能带图如图4所示。这种器件由AlInP或（Al Ga） In0.5 P宽带隙N — P 型注入—μm厚)和一个（AlxGa1-x）In0.5 P窄带隙激活区 (～0.3 –μm )组成。激活区组份X在发射光谱的650nm红（x=0）到555 nm绿（x3）之间转变。通常使注入— 束缚层带隙尽可能大以使注入效率达到最大并使载流子束缚在器件内。但是，在AlInP中取得高的P型搀杂和合理的传导率存在困难。因此，在许多LED结构中利用（AlGa）In0.5 P束缚层。选择宽带隙束缚层的搀杂使LED中载流子的注入效率和束缚和电流的扩展最大。搀杂必需足够的高以使这些层的电阻达到最小。但是，必需注意把在激活层周围搀杂引进的非辐射复合中心的阻碍减少到最小。据报
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导，关于（AlxGa1-x）In P LED束缚层（或）的最正确搀杂，N型层为1×10～5×10cm，P型层为
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4×10～2×10 cm，Te和Si已经成功被用作（AlxGa1-x）In0.5 P的n型搀杂材料而典型的p型搀杂材料是Mg和Zn。很多工作者把Al xGa1-x）InP激活层描述为无心搀杂。但是据报导，激活区的最
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正确搀杂水平是轻搀杂n或p(＜1×10cm）。因此，DH活动区的搀杂能够是N –p -P或N - n-P，或N – n – p - P，而在最后一种情形，p - n结位于激活区的内部。 双异质结AlGaInP发光二极管
图4. 典型的双异质结(AlxGa1-x)In0.5 P发光二极管能带结构示用意。
a. 少数载流子注入
2
（AlxGa1-x）InP发光二极管通常工作在比较低的电流密度（＜150A/cm）下，因此注入载流子密度(＜
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1×10cm）较低。非同类异质结（即：N - p或n -P）增强了注入到较窄带隙材料的少数载流子，因此增加了异质结构LED发光效率，对一个理想的N - p异质结，其中N层为宽带隙注入层，P层为窄带隙激活层的情形，电子/空穴注入比下式给出：
式中J是注入电子和空穴密度；D，L，N 别离是少子扩散系数，少子扩散长度和搀杂密度；
me , m h 别离为宽带隙N -束缚层和窄带隙P –激活层电子（空穴）有效质量。能隙差（ΔEg）由 束缚层和激活层带隙能量之差给出：
ΔEg = Eg（束缚层）— Eg（活动层） （11）
关于DH器件，激活层的厚度通常小于少数载流子在激活层的扩散长度，在这种情形下，等式（6）中激活层的厚度用激活层少数载流子扩散长度代替。一样可取得由一个宽带隙P - 注入层和一个窄带隙n – 激活层组成的P - n异质结空穴/电子注入比表达式。在这种情形下，空穴/电子注入比由下式给出：
空穴/电子注入比也受含有能隙差 [ 等式（11）] 的指数项支配，等式（10）和等式（12）假定异质结是理想的，忽略了在异质结界面处的界面复合和导带和价带偏移尖峰（ΔEc, ΔEv）的阻碍。这些等式说明：能隙差关于注入比起着极为重要的作用，为了取得最正确注入效率，应使能隙差达到最大。
红色（630nm）和红- 橙（615nm）（AlxGa1-x）InP LED 的激活层和束缚 - 注入层（或）之间有一个足够大的能隙差（ΔEg＞）, 从而保证一个理想的N - p ( P - n )异质结所必需的电子（空
穴）单边注入。表1给出N - p 型和( P - n )型（AlxGa1-x）InP异质结LED在590和570 nm时电子和空穴的注入效率。此处，激活层和x = 1.0或注入层之间的能级差小于。因此，电子和空穴的注入效率别离被概念为Je/(Je+Jh) , Jh/(Je+Jh)。在（AlxGa1-x）InP应用中要对典型利用的N - p和 P - n 异质结的载流子注入效率进行计算，计算时因为无法取得关于少数载流子和多数载流子迁移率的数据，因此假定DH器件具有1μm厚的激活层。一样地，假定电子和空穴的少子扩散长度别离为4和1，考虑到这些不定因素的存在，表1计算值只给出1位有效数字。计算值说明：关于短波长（570 nm）黄绿 LED，在一个和宽带隙注入层的N - p异质结中，能够实现电子的单边注入（注入效率=1）。在（AlxGa1-x）InP系统中，空穴的迁移率比电子低5～50倍，因此，在一个P - n异质结中，观看到较低的空穴注入效率。在较短波区，P - n异质结的空穴注入效率能够通过利用较宽带隙（）的注入层取得改善（这种注入层与x = 0.7 的注入层比较，增加了一个约25mev的能隙差）。关于这些器件，为了取得最高的空穴注入效率，必需实现材料和结参数（例如：迁移率，少子扩散长度和搀杂）的最正确化。注意前面的计算和讨论都是对理想异质结而言，其他因素如界面复合，带的不持续偏移和在空间电荷区载流子的复合和产生都可能阻碍或支配决定器件设计和材料质量的性能。
表1 （AlxGa1-x）InP异质结载流子注入效率的计算 （AlxGa1-x）InP 激活层 发射波长（nm） 590 570 AlInP 注入层 N-p电子 注入效率 1 1 P-n空穴 注入效率 1 （AlGa）InP注入层 N-p电子 注入效率 1 1 P-n空穴 注入效率 1
b. 载流子复合
在一个DH器件中，少数载流子在p - n结或异质结注入后，可能在LED激活层内产生辐射复合或非辐射复合，也可能逃到临近的束缚层，DH器件借助减少进入激活层载流子通过束缚层的复合量，增加注入载流子密度，达到提高效率的目的。较高的注入载流子密度通常能够造成非辐射复合中心的饱和，从而增加辐射效率。DH的这种效应是以激活层厚度小于载流子扩散长度为条件，这一条件和激活层搀杂类型和水平，注入载流子密度和激活层组份有关。少数载流子扩散长度和少数载流子迁移率的平方根成比例。因此能够明白，关于P型（AlxGa1-x）InP激活层（此处，电子被注入到激活层），因为电子的迁移率事实上超过空穴的迁移率，因此激活层较厚。关于（AlxGa1-x）InP发光二极管，激活层厚度小于1～2μm，一样知足小于少数载流子扩散长度的条件。事实上，较厚的激活区可造成由较低的注入载流子密度（增加了非辐射复合效应）和激活层内部光吸收而引发的LED效率的减少。
LED内量子效率由LED内部激活层辐射复合率和总辐射复合率的比率决定。在激活层和束缚层内也和异质结界面一样，可能发生非辐射复合。已经在（AlxGa1-x）InP合金中发觉了非辐射复合中心，并发觉它们使材料的辐射效率下降。专门在（AlxGa1-x）InP中发觉深能级除和氧杂质有关外，还和P型杂质Zn，n型杂质Si和Se有关。对掺Zn（AlxGa1-x）InP DH系统作Time-resolved光致发光（TRPL）测量说明，在激活层和上束缚层中，非辐射复合率随Zn浓度增加而增加。另外，与n型杂质有关的深能级显示出类似于D-X中心的特性，这种特性也使LED的辐射减少。这些资料说明在（AlxGa1-x）InP LED制造中，选择搀杂种类和操纵搀杂浓度和位置一样重要。 使氧污染达到最小是产生高效率（AlxGa1-x）InP LED 的关键。（AlxGa1-x）InP 中的氧污染和两个具有热激活能（Er）～ 至ev (D2) 和～至1.3eV ( D3 ) 的深电子陷阱有关。图5给出具有x～激活层的（AlxGa1-x）InP LED氧浓度和陷阱D2，D3密度和发光效率之间的关系。由图可见，氧浓度增加一个数量级，深能级陷阱密度增加近二个数量级。这种增加可造成LED外量子效率的显著减少，
因此，在（AlxGa1-x）InP DH LED中，氧的操纵是很重要的，外延生长时，即便含氧的污染很低，也会发生氧混入（AlxGa1-x）InP合金中。结果，有各类各样技术被用来减少（AlxGa1-x）InP合金中的氧浓度，如在取向错误的衬底上生长，外延生长参数（如：Ⅴ—Ⅲ比率，生长温度）的最正确化，OMVPE 源纯度的改善。
总的非辐射复合寿命还和来自DH 激活层 — 束缚层界面和束缚层内部的界面复合有关，关于较薄（小于μm）的无搀杂（AlxGa1-x）InP DH激活区，TRPL测试说明界面复合关于总的非辐射复合速度有着重要阻碍。另外，TRPL 研究说明关于掺Zn的异质界面，当掺Zn水平增加时，界面复合速度增加。在DH
图5. 在（AlxGa1-x）InP( X～0.4)发光二极管中氧浓度( NOX)和与其相关的D2和D3深能级浓度(ND2,ND3)之间的关系（左）。在（AlxGa1-x）InP发光二极管中氧及与其相关的深能级浓度的增加使外量子效率大大减少（右）。
束缚层内的深能级，关于非辐射复合也有阻碍。在束缚层中与氧有关的深能级密度增加，那么DH样品中非辐射复合速度也增加，这种行为被推测是由于隧道效应即激活层的载流子进入临近束缚层深能级的结果。因此，这些资料说明，使DH 异质界面和束缚层内部的非辐射复合达到最小，关于实现高效率（AlxGa1-x）InP LED 是十分重要的。 C. 载流子束缚
正如第Ⅱ部份第2.b节所讨论那样，器件激活层载流子束缚的结果使DH LED的辐射效率得以提高。要取得如此的益处，激活层的厚度必需小于注入载流子的扩散长度。为了使载流子被限制在激活层，注入载流子必需缺乏可漏出激活—束缚层界面处势垒的足够热能。关于固定的注入流密度，激活层厚度（因此注入载流子密度）和电子及空穴的异质势垒高度直接阻碍载流子束缚。（AlxGa1-x）InP激光二极管由于在DH和分立束缚异质结构（SCH）量子井（QW）器件中缺乏足够的电子束缚致使阈值电流的增加和性能及工作温度的下降。但是，激光二极管和发光二极管不同，典型的激光二极管具有较薄的活动层和较高的注入流密度，因此，和激光二极管比较，LED异质结器件载流子泄漏问题相对较小，但是，在发光二极管中，那个问题不能完全忽略。
在DH器件中载流子泄漏可能由载流子漂移或载流子扩散组成，这些载流子具有足够的热能能够从激活层传送到束缚层。漂移泄漏部份随注入流密度的增大而增加，因此，关于工作在较高电流密度下的器件（例如：激光二极管），以漂移泄漏为主。典型的发光二极管工作在1～2个数量级的较低注入流密度下，因此，扩散流是要紧的。对（AlxGa1-x）InP SCH QW激光器的分析说明：关于注
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入流密度为400A/cmμm的情形，漂移泄漏和扩散泄漏接近。这一注入流密度比（AlxGa1-x）InP DH LED
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大得多，后者注入流密度一样在5～150A/cm之间且具有较厚的激活层（从而注入载流子密度较低）。在一个DH器件中，在p-P激活—束缚层异质界面，电子扩散泄漏由下式给出：
此处，μe，Le，me别离是电子少子迁移率，扩散长度，和上束缚层中的DOS有效质量；Efn是激活层中电子准费米能级（从导带边缘测量）；△ε是电子束缚势能。激活层中电子准费米能级是激活层中注入少子密度（电流密度）的函数。电子束缚势能是在激活—束缚界面电子的有效势垒，并由下式给出：
式中第一项代表束缚层和激活层之间带隙能量之差，第二项是激活层和束缚层中空穴准费米能级（由价带边缘测量）之差。注意方程（13）和（14）中假定异质结是理想的，即没有界面态且导带偏移尖峰的存在能够忽略或足够窄，许诺电子通过隧道穿越它。这些方程说明：电子的扩散泄漏能够通过增大束缚层和激活层之间的能隙差及加重P型束缚层的搀杂使之减少。后者保证激活层和束缚层中费米能级之差达到最大。因此，重P型搀杂AlInP束缚层是使电子泄漏达到最小的最正确选择。已经证明在（AlxGa1-x）InP DH激光二极管中，极高的工作温度和特性温度（意味着较低的电子泄漏）正是增加了P型束缚层搀杂的结果。但是，在铝组分较高（X＞0.7）的（AlxGa1-x）InP层中，
除非P型搀杂进程利用了最正确条件，不然，难以实现高的P型搀杂（见第四章）。由于这一困难的存在，在（AlxGa1-x）InP DH LED束缚层中，常常选择较低的铝组分（X=0.7）。
一样能够取得n-N异质结中空穴扩散泄漏的关系式。但是，由于空穴迁移率要比电子迁移率小一个数量级，因此，空穴泄漏通常比电子泄漏要小。另外，在直接带隙激活层中，空穴的DOS有效质量要比电子大得多，结果具有足够热能可超越一样束缚层势垒的空穴密度要比电子小得多。例如，在（AlxGa1-x）InP DH 激光二极管中，已求得空穴泄漏电流是电子泄漏电流的1/100。因此，电子扩散泄漏是流出（AlxGa1-x）InP DH LED的要紧束缚载流子。 等式（13）中含有电子束缚势能的指数项关于电子扩散泄漏电流起着决定性作用。关于波长为630nm和615nm，激活层厚度为1μm的（AlxGa1-x）InP DH LED，电子束缚势能大到足以可忽略搀杂水平
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大于10 cm，注入载流子密度小于10 cm的（AlxGa1-x）InP DH 束缚层（X=0.7或1.0）中的电子泄漏。 但是，在电子束缚势能较小的短波长器件中，电子束缚的最正确化可能变得加倍重要。表Ⅱ给出计算波长为590 nm和570 nm，激活层厚度为1μm，束缚层X=0.7或1.0，且搀杂为作为LED利历时水平的 （AlxGa1-x）InP LED电子扩散泄漏的参量。表Ⅱ中概念电子束缚率为1-JL/J，其中，J是总的注入流密度。这些计算说明：关于工作在λ～590 nm黄色光谱区的器件，电子扩散泄漏可不能使LED的性能下降。但是，较短波长（λ～570 nm）的黄绿器件，效率可能因电子泄漏而大大减少。在这种情形下，若是能实现充分高的P型搀杂，那么利用较高带隙X=1.0束缚层较之利用X=0.7束缚层器件的电子束缚率能够提高1.5倍。对λ～566 nm器件报导的实验数听说明：当束缚层组分由X=0.7增加到X=1.0时, 外量子效率可有1.5倍的改善，这一结果和以上计算接近一致。另外，前面的计算都是关于激活层厚度为1μm进行的。关于相同的注入流，激活层较薄的器件具有较高的注入载流子密度，这使适当激活层厚度减少时，电子泄漏增加。因此，这些数听说明在某些（AlxGa1-x）InP LED中，电子束缚可能是限制其性能的一个因素。 3. 量子井器件
已在（AlxGa1-x）InP激光二极管中广为利用的量子井（QW）对器件性能有很多阻碍，这些阻碍包括：减少阈值电流，缩短波长CW操作，增加特性温度
和操作温度，增加功率转换效率。迄今为止，对（AlxGa1-x）InP LED的大
表Ⅱ
计算p-P（AlxGa1-x）InP -（AlyGa1-y）InP异质结（） 中的电子束缚参量 （AlxGa1-x）InP激活层 P - AlInP束缚层 P -（AlGa）InP束缚层 发射波长 (nm) 电子束缚势能 电子束缚率 Δε( eV ) 1- ( J L/ J ) ab电子束缚势 Δε( eV) a电子束缚率 1- ( J L/ J ) b590 570 a16-3 2 ×10cm( 注入电 流密度40A/cm); b a 2计算假定备注的参量，并假定束缚层中少子扩散长度Le 为4μm , 少子迁移率μe 为 200cm/V。
部份研究工作集中在DH器件方面。但是，“薄”QW LED器件使较高的注入载流子密度成为可能，因此能够取得效率更高的辐射复合。薄的激活层还能够减少LED的自吸收（这种自吸收使内量子效率降低），这关于合理设计器件结构，使得光子在离开LED前，反复多次通过激活层是很重要的（第Ⅴ部份第2.4节）。另外，利用量子体积效应（QSE），能够在没必要增加铝组份的情形下缩短发射波长。
量子井结构利用QSE缩短发射波长是（AlxGa1-x）InP LED的优势，因为（AlxGa1-x）InP LED辐射效率随铝组份的增加而不规那么减少比能带结构计算所预期要快（第Ⅶ部份第1节）。因此，利用多层QW结构制造600 nm（AlxGa1-x）InP LED，在那里，利用QSE可使来自DH 激活层的发射波长
缩短12 nm。这些QW器件的激活区由被40A（AlGa）InP势垒所隔开的50A（AlGa）0.5InP井所组成。注意量子井中的量子能级和载流子有效质量成反比，使得AlGaInP器件较薄井的要求和类似的AlGaAs结构接近。当器件中井的数量由3增加到40时，（AlxGa1-x）InP LED的效率随之增加，这种行为被以为是当井的数量增加时，载流子俘获和束缚增加的结果。另外，光输出随井（和界面）数量的增加而增加说明在量子井界面的复合不减少这些器件的性能。具有20个井的多量子井 LED 可使外量子效率提高到可与工作在相同发射波长下的DH LED相媲美。但是，据报导，这种多量子井 LED结构的外量子效率在600 nm（在GaAs吸收衬底上制造）时仅为1.6%，这一性能大大低于报导中最好的DH吸收衬底 LED 的性能（其外量子效率可达到～6%）。另外，薄（50A）的QW层难以操纵且因均匀性问题需要采纳高容量的OMVPE生长来制造这些LED，基于这些考虑，迄今为止，商业化的（AlxGa1-x）InP LED仍未利用QW激活层。
Ⅲ 在器件中的电流扩展
电流扩展关于取得可作为显示应用的高效率表面发射LED芯片是比较重要的，大多数一般LED芯片[ 如图1（e）所示 ] 顶部表脸部份被一个圆型金属电极所覆盖（该电极是为进行线键合而设计的）。加在芯片上的电流从芯片顶部通过P型层，抵达产生光的结。但是，若是P型层的电阻率太高，那么有相当部份电流不能够从触点往下扩展而被限制在金属下面。在电极下面产生的光仅在LED 芯片内部被俘获和吸收（相反，在激光二极管中，这种电流束缚行为是所希望的，在这种情形下，特意把电流限制在欧姆接触电极下面的区域）。
初期对AlGaInP的研究就已经熟悉到电流扩展受AlGaInP材料系统的限制。典型的结构研究是在n型衬底上制造一个所需的p侧异质结。结果发觉，AlGaInP材料系统有三个特性对电流扩展问题有阻碍。第一，在P型（AlxGa1-x）InP中载流子迁移率较低，对用于上束缚层的高含铝合金，迁移率
218-3
的数量级为10cm；第二，（AlxGa1-x）InP中的P型材料搀杂水平在10cm左右达到饱和，试图增加搀杂水平结果致使外延层晶体质量的严峻下降；第三，为了增加AlGaInP上束缚层的传导性而增加其厚度，但在超过2～5μm时造成该束缚层晶体质量的显著下降。 1. 欧姆接触改良
为了解决电流扩展问题和克服材料的局限性，作了许多不同的探讨。一种简单的方式确实是改变欧姆接触图形使之从芯片中心往外扩展，这些图形的例子如图6所示。图6（a）正是以上提到的图形，一个圆形接触点放在芯片上表面的中间，对圆形接触点的一种改良是加上四个“手指头”，如图6（b）所示，进一步的改良如图6（c）所示，在管芯周围加上一个环型金属触点。最后这种图形通经常使用于较大的LED芯片，如高功率的红外发射器。还可能有其他图形。
若是薄层电阻不是很高，那么如上所述的欧姆接触改良关于提高电流扩展是有效的。但是，关于AlGaInP外延层，由于薄层电阻很高，这种方式只能使芯片性能取得很有限的改良。另外，提高电流扩展所带来的益处，一部份被芯片表面增加金属的阻滞效应所抵消。H·P公司制造的第一代AlGaInP，部份是由DH所组成，这种器件上部的束缚层是P型AlInPlm/w( 大多数光在金属电极下面产生且受其阻滞)。利用图6（c lm/w；但是，利用这些技术，不能实现更进一步的改良。
图6. 发光二极管所利用的不同欧姆接触几何图形。圆形电极（a）是最简单和最一般的；指状图形(b)和更复杂的图形(c)被用来改善电流扩展性能，专门适应于管芯较大时。
2. 在P型衬底上生长
改善材料传导性的另一探讨是所谓反向搀杂，如顶层用n型取代p型。铝含量较高的n型AlGaInP合金的迁移率在400 cm左右，接近p型合金的5～10倍。这的确改善了电流扩展性能；但是，生长优质晶体厚层问题仍然存在。另外，这时衬底必需是p型。掺锌的p型衬底缺点密度要比n型衬底高，较高的缺点密度可能致使外延层中位错和非辐射复合中心的形成。同时，Zn是一种活动性较强的杂质，生长期间容易扩散进入外延层，并对n型层起补偿作用。尽管存在这些困难，仍是在p型GaAS衬底上制成了具有n型宽带隙AlGaInP电流扩展窗口层的AlGaInP LED。但是，这种结构的
电流性能要比通常在n型衬底上生长，具有p型电流扩展层的AlGaInP LED差得多。 3. 电流扩展窗口层
当前提高商业化AlGaInP LED 性能的另一经常使用方式是在DH的上面生长一与（AlxGa1-x）InP不同材料的P型厚窗口层。关于这一厚层除要求其生长要与（AlxGa1-x）InP合金相适应外，还要求它具有高的传导率，且关于发射的光是透明的。高的传导率可由高的迁移率和载流子浓度，大的层厚或二者相结合而产生，透明度取决于窗口所利用材料和器件中所产生光的波长。 已有两种材料成功地被用来制作AlGaInP LED窗口层，即：GaP和GaAlAs。HP公司和东芝公司的研究人员别离对这些窗口的结构作了研究。每种结构的窗口具有由层的几何结构和材料本身的物理性质所决定的唯一特性。由于以下缘故，AlxGa1-xAS化合物是用来作为AlGaInP LED窗口材料的理想选择。第一，Al xGa1-xAS能够实现重搀杂，从而维持较高的载流子迁移率以实现高效率器件所需要的电流扩展。第二，AlxGa1-xAS在X≥0.7时，由红到黄绿波长范围所发射的光是透明的，且具有间接带隙，可使吸收造成的损耗达到最小。第三，AlGaAs在所有Al成份（X）范围都能和GaAs衬底和（AlxGa1-x）InP结构晶格匹配，因此，在与AlGaInP DH相同的外延生长进程中。采纳OMVPE方式，能够较容易地长成AlGaAs层。
GaP也是作为窗口材料的良好选择，和AlGaAs一样，P型GaP能够实现重搀杂从而实现足够的电流扩展。它也是一种间接半导体，关于成心义的波长是透明的。事实上，在低于600nm的波长范围，GaP乃至比AlGaAs更透明。但是，GaP的特点是它和GaAs衬底和（AlxGa1-x）InP层有3.6%的晶格失配。尽管在上束缚层和窗口层的界面处存在一个密集的位错网，仍然能够在异质结的上部生长GaP而不阻碍LED器件的内量子效率和靠得住性。幸而，位错维持束缚在GaP窗口层上面几个微米，可不能朝下扩展进入器件内部，因此不致于在激活层引发非辐射复合。GaP层的透明度和传导性一样可不能受到位错的明显阻碍。GaP层能够在（AlxGa1-x）InP双异质结生长以后，在OMVPE反映器中生长。但是，在HP结构中，一个厚的GaP层（～50μm）是在一个另外的反映器中，利用氢化物VPE生长的。这种分立的生长进程吸取了VPE进程较为经济和GaP层在厚度超过20μm时迅速生长的优势。
这些窗口层的电流扩展特性能够利用激光器中电流扩展的模式进行明白得和比较。图7画出了一个具有窗口层的AlGaInP LED的横截面简单示用意。因为器件具有对称性，可将其分为两半，只对图示器件右半部份进行讨论，图中左侧电极事实上是芯片的中心。这种模式假定在金属的下方有一个恒定的电压（V0）和电流密度（J0），同时假定加在衬底上的电压也是常数。电极下面之外区域的电压可用下面表达式描述：
图7. 在窗口层利用电流扩展模式的AlGaInP管芯横截面。因为其对称性，只需对其一半进行讨论，那个地址画出的是右半部份。
式中ls是扩散长度，由下式给出： 式中g是窗口层传导率，t是窗口层厚度，n是二极治理想系数（那个地址所有计算均假定是1.3）。表Ⅲ给出不同材料和两种不同搀杂类型的典型参数。利用表Ⅲ参数可由等式（15）和（16）推出电流扩展曲线。图8给出P型（a）和n 型 (b) GaP, AlGaAs, AlInP曲线。GaP, AlGaAs厚度是商业化器件的典型值。关于典型的DH器件AlInP，那个值是1μm，给出厚度5μm的结果用作比较，结果说明利用AlInP作为电流扩展层是困难的。
表Ⅲ 典型窗口层材料参数 P型 n型 窗口成分 掺杂 掺杂 22迁移率（cm/V．sec） 迁移率（cm/V．sec） -3-3（cm） （cm） 1818GaP 1×10 62 1×10 125 1818AlGaAs 1×10 36 1×10 151 AlInP 5×10 1710 1×10 18211
图8. 在AlGaInP LED中不同窗口材料和厚度电流密度和该点到欧姆接触处距离之间的关系。图（a）为P型电流扩展层的结果，图(b) 为n型电流扩展层的结果。
由图8（a）可见，厚度为1μm的P型AlInP，电流密度在电极周围几个微米的范围内大大下降，工作在这种条件下的器件仅在金属电极边缘发光。把Al0.5InP电流扩展层的厚度增加到5μm有所改善，但是，由于外延生长技术的限制，不许诺厚度超过那个点。利用7μm厚的AlGaAs层可使性能取得较大改善，而利用50μm厚的GaP层可取得最好结果。在这种情形下，距离芯片边缘一半处，电流密度仅下降50%。图8(b)给出了n型窗口层的结果，由图可见：电流扩散行为有了专门大改善，尤其是AlInP层。注意到GaP的电流扩散行为未见有太大不同，这是因为它在n型材料和P型材料中有类似的迁移率。但是，前面提到的关于生长n型结构的限制仍然存在。 图9 对不同厚度P型GaP电流扩展窗口的电流密度计算结果
图9只给出P型GaP厚度对电流扩展的阻碍。可见即便层厚只有2μm，也可产生明显的扩展。厚度增加到15μm然后增加到50μm，扩展随之增加。厚度超过50μm时，几乎再也不有任何改善。所观看到的这种现象取得图10数据的支持。图10给出三种不同GaP窗口厚度芯片表面发射的光和芯片位置之间的关系。这一数据是用视频摄像机拍照每种芯片表面，并利用视频分析仪将发光强度划分为几个区域而取得的。插图中的虚线表示测量强度的芯片位置。关于2μm的窗口厚度，电流高度集中，发光强度在离欧姆接触很近处已急剧下降，窗口厚度为5μm时的发射有较大改善，厚度为15μm时发射强度的最大值几乎接近芯片边缘。
图10 利用视频摄像机和视频信号分析仪测量GaP窗口层厚度为2，5和15μm的三种AlGaInP LED芯片的表面发射强度。插图中的虚线表示测量位置，图中下方的数据确实是从该位置测量取得的。2μm窗口器件表现出严峻的电流集中效应，而15μm器件由于改善了电流扩展效应，从而显示出专门好的光输出均匀性。
4. 铟锡化合物和其它探讨
最近报导的另一种改善AlGalnP LED 电流扩展技术是在双异质结的表面利用一个透明的欧姆接触。这与电流扩展窗口的概念是一样的；但是，铟锡氧化物（ITO）传导薄层是用反映电子束蒸发在DH上面淀积生成而不是用生长外延窗口层的方式。ITO薄层的传导率超级高（大约为5Ω/口）,在成心义的波长范围内。其透明度大于90%。遗憾的是，在ITO和AlGalnP之间不能直接制造欧姆接触，必需在AlGalnP上面生长一较低带隙的接触层，造成所发射的光部份被吸收。Lin等人（1994）描述了一种在ITO和（AlGa）InP上束缚层之间的500A GaAs接触层。Aliyu等人（1995）利用一 300至500A的GaAs层制造与ITO的接触；只是，他们还在AlGalnP上束缚层和GaAs之间增加了一个GaInP过渡层。GaInP的作用是将高带隙AlGalnP和低带隙GaAs之间的势垒减至最小，使得器件的正向导通电压较低。据Aliyu等人的报导，利用这种技术，在20mA的工作电流下，正向压降为1.7V，而Lin等人（1994）的报导在20 mA工作电流下，正向压降为2.0V。
到目前为止，利用ITO的AlGalnP LED与商业上可取得的具有GaP或AlGaAs窗口层的器件光输出性能的比较尚未见详细报导。Lin等人报导,620nm的器件,工作电流为20 mA时发出的光为0.5mw。但是，他们没有说明器件是用透明的环氧树脂封装或是在空气中测量（目前，商业上可取得的用环氧树脂封装成的小灯，在峰值波长为620nm时产生的光输出在2.0mw以上）。封装问题是很重要的，因为环氧树脂使半导体和空气之间的折射率匹配，从而改善了芯片光的输出，通常能够增加3～4倍。在一个未封装的芯片上，ITO只能够作为一个抗反射层。尽管Lin等人（1994年）指出在室温条件下，带ITO层器件能够稳固工作3000小时，可是对这种器件靠得住性的研究还很不详细。显然，需要对ITO技术做更进一步的研究，以取得比其它窗口结构更好的器件。
以后可能对改善电流扩展的其它方式做研究。但是，目前利用以AlGalnP和GaP作为电流扩展
窗口的方式想使器件的性能取得更进一步的改善将是困难的。
IV 电流阻挡结构
到目前为止所描述的LED芯片结构均有一个覆盖了部份器件表面的金属电极。这种结构具有较为简单的优势。但是，在电极下面（此处电流密度最高）产生的光或被电极阻挡和吸收，或反射回芯片内部。反射光极可能在芯片内部被其自身吸收。若是电流扩展窗口层较薄，那个问题尤其严峻。在这种情形下，电极下面产生的光不可能通过在器件内部多次反射或通过芯片侧面而发射出来。有关这些考虑将在下一节做更详细讨论。但是，有几种方式能够用来减小这一问题。这些方式包括阻止电流直接在电极下面流动。强迫它从器件电极接触区外流过器件，最大限度减少电极下面产生的光。
电流阻挡能够通过许多方式来实现。一种可用于选择电流阻挡区的方式是在外延组织中引进一个异质势垒阻挡层或一个PN结阻挡层。关于AlGalnP材料系统而言，这些算不上新技术。许多AlGalnP激光器件确实是利用这种阻挡层达到限制电流流过一个狭小通路的目的。
为了制造一个P - n阻挡结构，必需进行一个二次生长进程。第一完成双异质结P侧生长，以后在其上面生长一个n型薄层（～500A）。那个薄层能够是Allnp, GaInP或GaAs。然后将晶片从OMVPE反映器件中除去。利用光掩模平板在n型层上将生成欧姆接触处侵蚀出一个规定的小岛。再将晶片放入OMVPE反映器。最后在n型小岛上生长P型电流扩展窗口层。制成欧姆接触电极时应注意使其对准n型小岛。电极下面那个专门P - n结的存在。迫使电流从侧面流过窗口层，且在流经双异质结的P - n结之前不经电极下面区域。阻挡层的成份应考虑材料能够成功长成且能够对其进行侵蚀而不阻碍其它（AlXGa1-X）0.5In0.5P外延层。为了减少吸收，要求材料对发射的光是透明的。如GaAs和Ga0.5In0.5P薄层可不能使吸收明显增加且能够对其进行选择性侵蚀。
异质势垒阻挡层结构也包括一个两次生长的进程。只是，它是在DH上面生长一个厚度为500A的P型GaAs层而不是生长n型层。在这种情形下，在高带隙AllnP上束缚层和低带隙GaAs之间产生的异质势垒足以提供电流阻挡作用。其工艺和再生长步骤与P - n结阻挡结构是类似的。
产生P - n阻挡结构的另一种技术吸取了选择性区域扩散进程的优势。在该进程中，一个一般的（AlXGa1-X）0.5In0.5i n型（AlGaIn）0.5 GaAs覆盖。一旦外延生长完成，利用光掩模板在GaAs覆盖层上规定和侵蚀出小孔（欧姆接触将在此处淀积形成）。再对晶片做退火处置，使上束缚层中的Zn扩散进入n型（AlGaIn）0.5P薄层并将其转化为P型。但是，这种扩散和类型转换只发生在掺Si GaAS覆盖层未被除去的区域。结果被掩盖的n型（AlGaIn）0.5P小岛保留在P型上束缚层内并起电流阻挡区的作用。最后进程包括除去其余GaAS覆盖层和在电流阻挡区上制成欧姆接触电极。 尽管这种选择区域扩散的实际机理未被明白得，但这种技术已出此刻实际工作中。已有报导具有这种结构的绿色AlGalnP LED的发光性能为一般GaP LED的两倍以上。这种技术所受到的限制是扩散进程不易操纵和重复活产。同时，扩散进程和重掺Si GaAs覆盖层与被扩散和转换层之间接近的程度有关。因为GaAs覆盖层是在电流扩展窗口层的上面，窗口层必需做得足够薄，使得扩散进程能够发生。这必然需要对电流扩展窗口层的厚度做出限制。因此致使电流扩展和电流阻挡条件最正确化之间的矛盾。但是，那个进程的简单和低本钱，使得它引发人们的极大爱好。
Ⅴ 光的排出
咱们已经描述了AlGalnP LED的要紧特点.即:双异质结设计从而取得较高的发光效率,采纳电流扩展窗口层从而保证电流流动和光产生遍及整个器件。电流阻挡结构的形成阻止电流在器件的某部份流动,从而改善光输出效率。此刻咱们转入讨论光产生后从LED芯片中排出的问题。这一课题关于所有类型LED都是很重要的。但是，在AlGalnP器件情形下，应用光排出技术能够最充分地吸取这种材料高内量子效率和大的波长范围的特点。
在LED芯片激活层产生的光能够分为两部份：朝芯片上部传播的一部份较大机遇排出，而朝芯片下面衬底传播部份较大机遇被吸收。因此，有必要对两部份的光进行别离讨论。第一，关于朝上的光，咱们描述窗口层的设计。第二，关于朝下的光，咱们描述散布型布拉格反射器（DBRS）的
采纳。这种反射器可将光反射回芯片顶部，同时，描述用透明衬底（TS）取代GaAS吸收衬底。 1． 上部窗口的设计
因为半导体折射率通常较高，关于源于芯片内部的光射线，临界反射角较小。因此，能够发出的光受内部反射限制。考虑图11画出的简化了的AlGalnP芯片。发光的DH用GaAS吸收衬底上面的一个薄层表示，而薄层那么被一层必然厚度的透明GaP 窗口层覆盖。为清楚起见，图中忽略了电极薄层。从芯片中心周围的任意点产生的光沿各个方向传播。事实上沿下面传播的光被衬底吸收，朝上的光射线仅在它以小于临界反射角入射芯片表面时才能够离开芯片。其余部份均在内部发生反射。这些射线在芯片中被俘获最终被吸收。小于临界角的射线范围能够用所谓接收锥体（或逃逸锥体）来表示。如图11所示，垂直向上部份用一整个锥体表示，而朝芯片各个侧面那么用四个半锥体表示（另一半锥体被衬底吸收）。为使图形更为清楚，图中只给出一个方向的半锥体。在接收锥体之外的所有射线都受到内部反射并在芯片内部被俘获和吸收，有些射线可能受到多次反射，最终能够逃离芯片。但是，作为一级近似，可予以忽略。决定锥体大小的临界角由Snell定律概念为：
-1
θc=Sin（n1/n2） （17）
式中n1和n2别离是芯片周围界质和GaP窗口层的折射率。若是周围介质是空气，那么n1=1，关于Gap而言n2≈°°。但是，在大多数情形下，芯片由环氧树脂封装，因此n1 °°，增加了53%。显然，这一计算结果说明了LED芯片用环氧树脂封装的优势。能够逃出芯片的光量自动增加了2至4倍。
图11. 带GaP 窗口层的AlGalnP LED芯片简图。为清楚起见，忽略了圆形欧姆接触电极。关于器件中心周围的任一发射点，用接收锥体表示小于临界范围内撞击芯片表面的射线，此处仅画出四个侧面锥体中的一个。
参照图11，利用同意锥体能够明白得窗口厚度关于光排出效率所起的作用，显然，窗口厚度对朝上下锥体的射线没有阻碍；不管厚度如何，那个锥体发出的光量是相同的。但是，关于沿侧面发射的射线，若是窗口较薄，部份射线将落在芯片表面并在抵达侧界眼前被全数反射回衬底。对一个无穷小的发射区和一个给定的侧界面，发射光的比例可由窗口层侧界面和侧面发射光同意锥体之间相交而成的立体角来估量。总的光发射率那么是那个立体角对整个发射区四个侧面的积分。加上朝上立体角的奉献。图12给出袒露在空气中的芯片和用环氧树脂封装的芯片与GaP窗口层厚度之间的函数关系。理论曲线是利用适才所描述的模式计算取得的。开始时厚度为0。因为朝上锥体的奉献，光输出为1。随着窗口厚度的增加，当窗口接纳了所有侧面半锥体的射线后，曲线趋于平稳，关于用树脂封装的芯片，锥体同意角度较大。因此，在光输出开始平稳之前所需要的窗口厚度较大。由图可见理论计算和实验数据接近一致，说明了这一模式的正确性。
图12，具有吸收衬底的AlGalnP LED芯片在不同窗口层厚度时的光输出理论值，对具有GaP窗口层的芯片，实测数据与理论模式一致。
理论计算和实测结果说明厚窗口能够显著改善发射效率。例如：一个窗口层厚度为50μm厚的AlGalnP LED所发射的光通量大约为厚度10μm时的两倍。利用VPE进程生长GaP能够容易地实现厚的窗口层和高的生长速度。因此，关于生长厚Gap窗口层而言，VPE进程是一项经济的，极具吸引力的技术。另一方面，厚AlGaAs窗口层的生长由于需要采纳OMVPE工艺，本钱较高，因此通常不被利用。 2． 衬底吸收
正如在第二部份所讨论那样，晶格匹配生长是实现最高晶体质量AlGalnP。因此实现最高质量LED材料的基础。由于GaAs与（AlxGa1-x）ln0。5P合金晶格匹配。是用于制作可见光AlGalnP LED（光谱范围555～650μm）的可选材料。但是，GaAs衬底在整个可见光光谱区存在光吸收问题。由于LED激活层发出的光接近各向同性，因此，激活层发出的光至少有一半被GaAs衬底吸收。但是，在吸收衬底（AS）上进行晶格匹配生长使晶体质量得以提高带来的益处代替了在透明衬底（TS）上进行非晶格匹配生长使光排出效率的显著提高（两倍以上）。结果，有两种不同方式被用来减少或排除GaAs吸收衬底的阻碍，使得DH（AlxGa1-x）ln0。5P器件可与GaAs进行晶格匹配生长。这些器件如图
13所示。第一种是在吸收GaAs 衬底和激活层之间增加一个高反射晶格匹配半导体DBR（图13（a））。另一种是在（AlxGa1-x）ln0。5P器件晶格匹配生长后，用一个半导体晶片键合透明GaP衬底取代GaAs 衬底（图13（b））。这两种结构改善了与在GaAs 上生长有关器件的性能。但是，TS器件结构能够取得更高的光排出效率。
DBR和TS LED结构的光排出效率能够通过考虑LED产生的光逃出锥体的总数来估量，如图14所示。关于由snell定律给定的全数内部反射，这些锥体
图13 高性能（AlxGa1-x）ln0。5P LED器件结构。利用这种结构可使DH激活层高质量晶格匹配生长所要求的GaAs衬底吸收阻碍减至最小。DBR AlGalnP/ GaAs LED（a）除生长一层AlGaAs上窗口层和电流阻挡层之外，在激活层和GaAs衬底之间插入一层高反射率的DBR。透明衬底（TS）AlGalnP/ GaP （GaP） LED（b）利用一透明的GaP衬底代替GaAs衬底从而排除GaAs衬底的阻碍。这种器件也存在一较厚的GaP上窗口层。
由临界角（Qc）决定。如前所述，关于发射进入空气（n2=1）和发射进入环氧树脂的情形，临界角别离为℃和℃。（假定半导体介质常数n2=3.4）。排出效率（Cex）概念为外量子效率和内量子效率之比。图14器件的排出效率可由下面表达式估算：
此处，θ，φ别离是垂直于激活层的方位角和沿激活层平面的发射角;θc是临界角,[1-R(θ)]是对一个入射在某一电介质界面的平面波,横电(TE)和横磁(TM)极化平均功率传递系数;N是在器件中存在的光排出锥体的总数。由图14在（AlxGa1-x）ln0。5P LED结构中所利用的透明GaP或AlGaAs窗口层(n～3.4)计算进入环氧树脂(n～1.5)的光排出取得排出系数近似为:Cex≈Nx(4.1%)。DBR LED通常都是用OMVPE生长的，因此具有一个比较薄（小于7μm）的上窗口层，使得要紧发射仅仅发生在芯片上表面。DBR镜子使朝下传播的大多数光发生反射。使得器件中存在的排出锥体最大值N = 2（Cex≈2×4.1% = 8.2%），事实上，DBR并非完满是一个镜子，不能够反射所有朝下的光。使得关于进入环氧树脂的发射N〈2（第Ⅴ部份第3节）。因此，DBR LED的排出系数略小于第Ⅴ部份第1节所述具有厚GaP上窗口AS LED的排出系数（在那里N为2～3个锥体）。图13（b）和14（b）的TS LED生长进程通常结合了多种外延生长技术，（AlxGa1-x）ln0。5P激活层（薄层）用OMVPE生长，约50μm的上部透明GaP窗口层（厚层）用VPE生长。如此，在这种器件中存在6个光排出锥体（N～6）。与DBR LED结构比较，这种结构合金接触层对顶部和底部锥体光的吸收起着较大作用。在DBR结构中，顶部电极下方的一层宽带隙透明n型（AlxGa1-x）ln0。5P电流阻挡层把电极的阻碍减至最小。结果，TS结构中有效排光锥体的数量减至N～5至6个（Cex≈5～6×4.1% = 20.5～24.6%）。因此，TS LED结构的光排出系数近似为具有厚透明窗口的AS LED的两倍，且大约为具有薄透明窗口的DBR LED结构的2.5～3倍。注意前面对排出系数的讨论忽略了芯片内部的光吸收而且没有充分注意到芯片产生的光传递进程的随机性和多重排出。后者在TS LED结构中是最为普遍的。例如：红色（650nm）TS AlGaAs LED小灯排出系数估量为30%左右，那个值比由等式（18）所推论出来的最大计算值～25%（6个排出锥体）要大得多，这一不同能够为是LED产生的光多重排出的结果。
图14 图13所示的高性能（AlxGa1-x）ln0。5P LED结构光排出特性示用意。吸收衬底（AＳ）DBR LED的最大值为两个锥体（a），而透明衬底（TS）LED 的最大值为6个锥体（b）。
３．散布型布喇格反射层发光二极管.
至少在80年代初期,就已经明白利用半导体DBR镜堆能够改善LED的光输出性能。不久以后，证明了能够利用OMVPE生长高反射率镜堆。利用这些技术，AlGaAs-GaAs在红外区的发射（在GaAs吸收衬底上生长）光输出性能有显著提高。关于工作在红色光谱区的AlGaAs器件，由于其进展较早且TＳ AlGaAs LED工艺较为成熟。这种DBR器件结构没有什么专门的用途。另外，为了实现最高的效率，AlGaAs器件必需考虑用LPE生长。这种技术不适应于需要形成λ／４半导体DBR镜堆薄层结构的生长。但是，关于用薄层OMVPE技术生长的高效率（AlxGa1-x）可见光LED，DBR LED0。5In0。5P
结构能够专门好地减少GaAs衬底的光吸收，因此，在（AlxGa1-x）0。5 In0。5P LED中，已经制造出各类各样的DBR镜结构以减少衬底的吸生效应。
a. 散布型布喇格反射器设计考虑
一个高反射率的DBR镜一般是由一组周期性重复显现的高指数和低指数λ/4层所形成。这些高（h）和低（L）指数层的设计厚度可由以劣等式决定。
式中m是一个奇数，λ０是自由空间设计波长，n是该层的折射率，θ是光相关于法线的入射角。为了减少本钱，能够减少LED所需要的外延生长厚度，因此通常利用λ/4堆（m=1）。
关于结定的DBR周期数，当高低指数λ/4层之间的折射系数之差（△ｎ ）最大时，DBR镜堆的反射率最大。半导体合金AlxGa1-xAs和（AlxGa1-x）0。5In0。5P与GaAs晶格相匹配且提供了足够的折射系数差，因此能够形成高反射率的DBR层。在关于（AlxGa1-x）0。5In0。5P LED成心义的光能量范围内，GaAs、AlAs 和（AlxGa1-x）0。5In0。5P 的折射率如图15所示。图15所示（AlxGa1-x）0。5In0。5P折射指数是由光谱学测量数据结合理论计算而求得的。在能量为～ ev的范围内,典型的折射指数范围在～之间。图15同时给出AlAs和GaAs的折射指数，这些折射指数范围更大。
已经有各类各样的材料用于制作（AlxGa1-x）0。5 In0。5P LED DBR镜。高性能LED的制造要求材料必需与GaAs晶格匹配且具有低的电阻率。表IV列出在（AlxGa1-x）0。5 In0。5P LED中所利用的DBR镜一些有关的性质。一样地，DBR能够分为两类：“损耗型”和“透明型”。在损耗型情形下，高指数λ/4层具有比LED发射能量较小的带隙，事实上致使DBR堆内部吸收的增加。在透明镜中各
图15 、（AlxGa1-x）0。5In0。5P合金（实线）和AlAs及GaAs（虚线）折射指数和光能量之间的关系。
层具有比LED发射能量更大的带隙。迄今为止利用的损耗镜是由AlInP - GaAs或AlInP - GaInP λ/4堆组成的。这两种镜在（AlxGa1-x）0。5 In0。5P LED整个发射波长范围内是有损耗的。另外，一样的损耗镜DBR层间的折射指数有专门大不同。尽管在OMVPE中As和P基层的交替生长存在困难。但就（AlxGa1-x）0。5 In0。5P LED 应用而言,通常仍是宁愿采纳AlInP - GaAs DBR。因为它们折射指数的不同比较大。在DBR（AlxGa1-x）0。5 In0。5P LED中所利用的透明镜由AlInP -（AlxGa1-x）0。5 In0。5P λ/4堆组成。并选择DBR中Al的克分子含量使其具有比LED发射能量更宽的带隙。如表IV所示，这些DBR的特点是折射指数的不同很小。因此，为了实现和损耗型DBR一样的反射率，需要更多的周期。另外，关于透明DBR，因为折射指数不同减少，当设计波长缩短时，需要更多的周期来实现相同的DBR反射率。注意为了适应整个发射带宽（第VII部份第4节），必需选择LED的峰值发射波长使其比透明波长（表IV第3列）更长。除表IV列出的这些材料外，还有其它材料可能用作（AlxGa1-x）0。5In0。5P LED DBR镜。例如，已经证明AlAs - AlxGa1-xAs DBR镜在550nm处显示出比较高的反射率。由于在高湿条件下，高铝成份的AlxGa1-xAs 层（X≥）发生水解,到目前为止,研究者们在（AlxGa1-x）
LED结构中幸免利用这些化合物。但是,实验说明薄AlGaAs层(≤200A )的水解反映明显不0。5In0。5P
同于厚AlGaAs层（～1000 A),使得薄的高铝成份AlxGa1-x As用作LED DBR时情形会怎么样不是很清楚。
表IV
在（AlxGa1-x）0。5In0。5P LED中所利用的半导体分散既布拉格反镜的性质
DBR镜堆的反射率随周期数的增加而增加，这些效应如图16所示。该图给出设计波长λ0=590nm时，反射率计算值和透明型Al0.5 InP－(AlGa0.6 )InP
DBR和损耗型Al0.5InP －GaAS DBR波长的关系。这些关系和下面的计算是利用标准模型技术结合DBR层内部的吸生效应,同时利用图15给出的折射指数值取得的。计算假定非偏振光从宽带隙AlInP下束缚层处入射。图16计算说明透明型和损耗型DBR有显著不同。两种DBR的反射率均随周期数量的增加而增加。但是，损耗型DBR（b）的反射率在小于60% 处就已经趋于饱和而透明型DBR（20周期堆）（a）能够达到大于95%。这种不同是因为损耗型DBR吸收增加。但是,与透明型DBR（20周期堆半波宽度小于40nm）比 较，损耗型DBR具有较宽的光谱带宽（20周期堆半波宽度大于70nm）,这是由于两种DBR层之间折射指数不同较大的结果。
图16 透明型AlInP－AlGaInP DBR（a）和损耗型AlInP - GaAs DBR(b)反射率计算值和波长之间的关系。损耗型DBR的反射率随DBR周期数增加而增加，在小于60% 处趋于饱和；但是，透明型DBR的反射率随周期数的增加而增加更为时显，20周期堆最大反射率超过95%。
利用一个混合反射器堆能够发挥损耗型和透明型DBR各自的优势。即将一个透明的DBR放在一个在GaAS衬底上生长的损耗型DBR上。这种混合型DBR的益处如图17所示，图中给出（a）损耗型AlInP－GaAs DBR（20个周期），（b）透明型AlInP－(AlGa0.6 )InP DBR（20个周期），（c）混合型AlInP－(AlGa0.6 )InP（10个周期）＋AlInP－GaAs（10个周期）反射率计算值和波长之间的关系。这种混合型DBR反射率光谱的半波宽度比透明型DBR增加25%以上，同时维持90%的反射率。另外，混合型DBR反射率带宽的提高使得入射光的反射能力提高。这种特性如图18所示，图中给出图17所示的（a）损耗型，（b）透明型和（c）混合型DBR反射率计算值和入射角（从法线测量）之间的关系。这些数听说明混合型DBR使得角度带宽增加了20%左右。因此，混合型DBR专门好地兼顾了透明型DBR高反射率和损耗型DBR大带宽的优势。
图17 （a）损耗型20周期AlInP－GaAs DBR，（b）透明型20周期AlInP－AlGaInP DBR和（c）混合型(10周期透明型AlInP－AlGaInP加上10周期AlInP - GaAs损耗型 )DBR反射率计算值和波长之间的关系。混合型DBR（C）结合了透明型和损耗型DBR高反射率和宽光谱带宽的优势。
图18、（a）损耗型20周期AlInP - GaAs DBR，（b）透明型20周期AlInP － AlGaInP DBR和（c）混合型(10周期透明型AlInP－AlGaInP 加上10周期损耗型AlInP – GaAs)DBR反射率计算值和入射角之间的关系。混合型DBR（c）在一个较大的角度带宽范围内具有高的反射率(>90%),但是,关于发射进入环氧树脂的所有内部反射,这一带宽小于临界角°)。
b、器件特性
图15～17反射率计算值曲线说明半导体DBR镜是一个不完善的反射器,在有限的波段和入射角范围内,峰值反射率小于100%。因此，封装在环氧树脂中的DBR LED不能排出由激活区朝衬底发射的全数光。在第V部份第2节中，对DBR LED排出系数的分析说明器件的光排出系数约8.2%（2×4.1%）。对排出系数更精准的分析考虑了DBR镜的真正反射率（包括角度和光谱带宽），在这种情形下，排出系数由下式给出：
式中TDBR（θ）是DBR LED结构的有效功率传播系数,式中其它项和方程(18)所求得各项是一样的。DBR结构的有效功率传播系数,能够通过考虑图19的简单射线轨道模型求得,因此,通过DBR LED上表面传播的总功率由下式给出：
图19. DBR发光二极管结构射线轨道图说明光多重通过并在DBR和周围界面反射的效应。
式中，RT＝RT（θ）是在上窗口处TE和TM平均功率反射系数,RB＝R（θ）是DBR的反射率和入
射角的函数关系。为计算方便，假定DBR反射率光谱带宽为无穷大，反射率角度带宽为一阶梯函数：
RB（θ）＝R │θ│≤θDBR (22) RB（θ）＝0 │θ│＞θDBR (23)
此处, θDBR 是DBR镜的角度带宽。利用这些关系式，DBR光输出增益（等价于等式（18）中概念的N）能够概念为DBR LED结构排出系数与具有一个逃逸锥体（N＝１）LED排出系数之比。图20给出由透明窗口发出的光（），DBR光输出增益和DBR峰值反射率R之间的函数关系，（a）介质为空气的LED芯片，（b）已封装的LED。计算进程假定DBR角度带宽（θDBR ）为±°,等同于图18(c)混合DBR的情形。LED芯片的DBR光输出增益明显高于已封装的LED。这是由于关于发射进入空气（θc°）的所有内部反射,DBR角度带宽超过临界角而关于反射进入环氧树脂的情形（θc°）那么小于临界角,如图(18)所示。因此，关于进入环氧树脂的发射。所有朝下逃逸锥体不被吸收。使适当DBR反射率由80%转变到100%时，DBR光输出增益（或等式（18）中的N）由转变到。一个理想的镜子（±90°角度带宽，100% 反射率）吸收所有朝下的光，使得进入环氧树脂的发射DBR光输出增益为。注意这一模式忽略了LED内部异质层和上部电极的吸收（或反射），这些吸收（或反射）使结构排出系数减少。
图20，薄窗口DBR发光二极管光输出增益和DBR反射率的关系（a）.进入空气（n=1）的发射。（b）进入环氧树脂（）的发射。这些计算假定角度反射率带宽为±°，光谱带宽无穷大，且忽略了LED芯片内部的吸收。关于进入环氧树脂的发射（b）,DBR角度小于临界角（°）。使得光输出增益减少。一个理想镜子（100%反射率，无穷大的光谱带宽，±90°角度带宽）使光输出有快要倍的改善。
GaAs吸收衬底和(AlGa0.6 )InP LED激活层之间的这种混合型DBR镜结构使得光输出性能有专门大改善。如以前讨论那样，DBR镜设计的选择取决于多种性能的综合考虑（峰值反射率和光谱和角度带宽的关系）。另外，周期数（总的镜厚）和DBR的复杂程度（如：混合堆的利用）必需衡量本钱一性能之间的关系。利用DBR已经制造出高性能的(AlxGaa-x)InP LED小灯，在610nm时，外量子效率达到7%。在573nm时达到0.8%。而且，在这些结构中利用的n型AlInP - GaAs和AlInP - AlGalnP DBR镜具有低的电阻率，使一样的LED器件在50mA时正向压降小于。结果，DBR LED结构还能够实现高的功率转换系数。在上电极下面带有通过扩散形成的电流阻挡区（第IV部份图13）的散布型布喇格反射器(AlxGaa-x)InP LED于1993年由东芝公司引入批量生产，目前已经普遍用于器件的制造中。
4. 晶片键合透明衬底发光二极管.
透明衬底LED为所有一般器件结构提供最高的光排出系数。尽管从材料质量考虑，要求AlGaInP合金必需在GaAs吸收衬底上进行品格匹配生长，可是有各类方式可用来产生TS AlGaInP器件。GaAs吸收衬底能够在器件顶部外延生长一层厚的（大于50nm）透明窗口层（如第Ⅲ部份第3节描述的GaP）以后除去。但是，衬底的除去不足以实现光输出的提高。如图21所示，GaAs衬底除去以后，暴露出来的薄（AlxGa1—x）InP层具有高的电阻率,致使器件中电流高度集中〔图21(a)〕，限制了光输出性能的改善。另外，这种LED芯片薄“衬底”由于从激活层发射出来的光全数内部发射进入薄“衬底”并在LED芯片内部（如在激活层和合金电极处）产生附加吸收，致使侧面光锥体排出能力的减少。因此，为了取得最正确的TS LED性能，希望能够产生一层厚的（大于50 nm）传导衬底〔图21(b)〕，这种厚衬底能够在除去GaAs吸收衬底以后，用外延的方式，从头生长一宽带隙传导层而产生。另一方面，能够在器件结构生长之前在GaAs 衬底上生长一厚的（大于50nm）透明缓冲层（为AlGaAs组成）。然后再除去GaAs衬底形成TS器件结构。上述两种技术存在的困难是厚层本钱高，难以长成，且通常不适于实现高质量的LED激活区。由于这些困难的存在，在(AlxGaa-x)InP激活区上晶片键合一层TS来产生一厚 的传导TS LED是一种极具吸引力的技术。 在透明衬底发光二极管中的电流扩展
图21 透明衬底（TS）LED结构电流扩展现用意，薄的阻挡性TS（a）造成器件电极下方图形周围电流的积聚。最正确的设计由一厚的传导性TS（b）组成，这种结构有利于器件内部电流的扩展。
a. 半导体晶片键合
半导体晶片键合，确实是把半导体衬底（或外延层）焊接到另一个衬底（或外延层）上使不同材料形成一体而维持原材料的大部份性质。已经有不同的技术被用来把两个表面键合在一路。这些方式由键合界面的特点来区分。表Ⅴ列出了部份经常使用的晶片键合技术和他们相关的性质。晶片键合TS LED结构的制造需要一个牢固的、透明的界面。另外，本钱的考虑（晶片面积利用）和AlGaInP合金较低的薄层传导率决定了(AxlGaa-x)InP器件的结构要为电流的纵向流动（包括器件的上下电极）而设计。这进一步要求晶片键合界面表现低阻传导。因此，范德瓦晶片键合技术由于不具有所需要的机械强度或作为LED应用所必需的电传导率，因此并非适应。若是利用一熔合的金属界面，那么能够在晶片键合界面上实现好的电传导性。但是，这时键合界面那么变成吸收型或中等反射型（R≤70%）。因此，金属或易熔质键合技术不适于TS (AlxGaa-x)InP LED的制造。环氧键合技术或直接将氧化物（或玻璃）键合到半导体的技术也不适应，因为这种晶体键合界面的电性能较差。但是，两个半导体表面的直接晶片键合（表面的合成没有任何依附的界面层）可选用作TS LED应用，因为它能够在一个透明且导电的晶片键各界面之间形成强的化学键。
表V 半导体晶片键合技术比较
Si晶片直接半导体晶片键合是用于 Si～ Si和Si～ SiO2键合的一种较为成熟的技术且工艺也较成熟。化合物半导体与玻璃直接键合在透明衬底上制造高性能GaAS光阴极已为人们所熟知超过20年。近几年，利用高温（520～830℃)和外加单轴压力可进行InP与GaAs之间的直接键合。这项技术使半导体晶片键合技术在各类光电器件制造中取得应用，包括：在GaAs衬底上制造InGaAsP激光二极管和在Si衬底上制造InGaAsP- GaAs激光二极管，利用高指向对照度AlGaAs DBR制造长波长的InGaAsP （～μm） 立腔表面发射激光器(VCSELS)和共振腔光探测器,和在GaAs和Si衬底上制造长波长的InGaAs光敏二极管。1994年, HP公司第一次将两种化合物半导体晶片直接键合的技术引进商业化器件的生产中( 在透明GaP衬底上制造高效率可见光( AlxGa1-x)InP LED )。HP公司的这一革新需要在工艺上做出许多改良，即要求能形成适应于LED应用的一层牢固、低阻、透光的化合物半导体晶片键合界面,同时应能实现批量生产。 b．晶片键合发光二极管制造
图22画出了TS ( AlxGa1-x)InP/GaP LED 制造进程示用意。这种技术中所利用的LED结构由一在GaAs衬底上，用OMVPE方式晶格匹配生长的DH P-n (AlxGa1-x)InP LED组成。结构的上部用VPE方式生长一厚的（～50nm）GaP窗口层。GaP窗口层的作用是增强来自上电极的电流的扩展（第3部份第3节）和增强器件顶部的光排出（第5部份第1节）。外延生长以后，用通常的化学侵蚀方式将GaAs衬底除去。在该位置，厚的GaP窗口提供有利于外延生长的机械强度。接着在高温和共轴压力下，在暴露的DH n型层上晶片键合一8～10 mil的n型GaP衬底。然后在两个GaP表面上制
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作欧姆接触电极图形,再将晶片切成的LED芯片,通常这些芯片被封装成5mm的LED小灯。
透明衬底AlGaInP LED制造
图22 晶片键合透明衬底（TS）AlGaInP LED制造进程示用意。先除去原先的GaAs生长衬底以后，在GaP衬底和AlGaInP - GaP外延膜上加上高温和共轴压力从而形成LED晶片。
化合物半导体晶片键合因为一样可维持靠近晶片键合界面处的晶体质量,因此是一种可替代晶格不匹配材料的可行制造方式。对晶片键合GaP/(AlxGa1-x)InP界面做透射电子显微镜（TEM）分析说明:位错全数在边缘。图23画出一个晶片键合TS GaP - (AlxGa1-x)InP/ GaP LED TEM图像的横截
面图。在DH上方的GaP窗口层形成进程所利用的晶格不匹配外延生长技术造成窗口内线状位错的发生。但是，图23的图像（沿其它方向的图像也一样）说明在晶片键合界面处没有线状位错的痕迹，这说明生成态晶体维持了DH的质量。这些结果和其它化合物半导体晶片键合界面不存在线状位错的报导是一致的。由图23还可见到在晶片键合界面周围各层存在于不同晶体结构和取向的AlGaInP合金中的晶体缺点（右下角）已经观看到这些缺点和晶片键合条件有关。但是，这些缺点的存在和密度大小被以为不阻碍LED器件的各方面性能（例如：正向压降，光输出或靠得住性），因此，化合物半导体晶片键合技术增进了晶格不匹配材料在LED领域的应用。
图23 晶片键合透明衬底GaP - AlGaInP/ GaP DH LED 透射电子显微相片。在上方外 延GaP窗口层观看到线状位错；但是，在下方的晶片键合界面处没有观看到线状位错。箭头（在右下角）指向一个在晶片键合进程期间形成的晶体缺点。这种缺点可不能对器件的性能产生不利阻碍。
尽管能够推断元素Si和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体晶片键合所需技术有许多相同的地方。但是，其进程显然是不同的。这些不同是由于材料机械、化学和电性能的转变而引发的。表Ⅵ对Ⅲ-Ⅴ族化合物和Si的一些性质做了比较,这些性质关于直接晶片键合是很重要的。不同Ⅲ-Ⅴ族化合物半导
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体晶片的热膨胀系数存在必然的不匹配（～10/℃）。因此，与Si～ Si键合不一样，不同化合物半导晶片的晶片键合需要应用共轴压力以保证在整个键合进程，当温度处于循环状态时晶片之间维持接触。而且，Si能够使整个晶片表面十分平坦，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体晶片的平整度那么有专门大不同。一个直径为50mm的晶片上可有几个微米的转变。因此，当在较大面积范围内键合化合物半导体时，需要有专门的技术来调整这种转变。Si还具有较低的平稳蒸气压力，温度超过1000℃时（直接Si晶片键合一般是在那个条件下进行的）处于稳固状态。但是, Ⅲ-Ⅴ族化合物的表面挥发十分强烈。在500～900℃的温度范围内呈不稳固状态。与Ⅲ族元素比较,V族元素的平稳蒸气压力要高得多。这种挥发出此刻进行化合物半导体晶片键合的情形,增加了键合进程的复杂性,Si和化合物半导体晶片表面电性能的不同还使得制备低阻界面时应做不同考虑。因此，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体晶片键合与元素Si的晶片键合有许多不同的地方。
表Ⅵ Si和Ⅲ-Ⅴ族直接晶片键合技术比较
与Si比较，Ⅲ-Ⅴ族半导体键合晶片键合界面低阻传导的实现有不同要求。已经明白Si晶片的直接晶片键合可在单极( P - P或n – n )键合界面形成低阻传导。但是，化合物半导体晶片键合界面呈高阻传导。已经观看到键合界面的电迁移性能有专门大转变。实现单极化合物半导体晶片键合界面低阻传导的一个大体要素是维持正确的相对表面晶向并使键合晶体的晶向与之对准。这些效应如图24所示，该图给出了TS(AlxGa1-x)InP/ GaP LED的电流 - 电压(I-V)特性：（a）对准键合晶片（晶面没有相对位移）；（b）没有对准键合晶片（晶面沿晶片表面方向旋转90°，晶片表面取向位移2．8°)。该(I-V)特性说明较低的正向压降（在20mA时为）一般是通过图24（a）对准的情形来实现的，其正向压降值通常比用GaAs吸收衬底制造的器件要小。但是，在没有对准的情形下（图24（b）），正向压降在20mA时大于。正向压降的增加被以为是由没有对准的晶片键合界面电荷缺点（例如：点缺点，边界位错，逆相磁畴）密度的增加引发的，这些缺点致使晶片键合异质结处势垒高度的增加。在对准情形下，反向I～V特性通常也符合标准要求，其雪崩反向击穿电压在15～30V之间（第Ⅶ部份，第3节）。因此，只要晶片键合进程进行适当，晶片键合界面可不能对LED的I-V特性产生不良阻碍。这与在Si直接晶片键合中所观看到的现象有本质上地域别。在Si
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的情形下，除非键合晶片是轻搀杂（～10cm），不然，I～V特性与晶向无关。这种不同能够以为是由于Si和Ⅲ-V族化合物半导体化学性能和电性能的不同而引发的。 正如在第1章中所讨论的那样，LED是产量最大的化合物半导体商业器件。因此，晶片键合LED制造者需要与实现晶片键合大量量生产相适应的技术。尽管以前介绍过化合物半导体晶片键合的复杂性，已经证明能够实现直径为50mm
图24 TS AlGaInP/GaP LED的电流 - 电压特性,(a) 键合晶片的晶向是对准的；（b）键合晶片的晶向是非对准的。在对准的情形下，能够实现较低的正向工作电压（在20mA时为）。晶向对不准可造成LED正向压降的明显增加。
的GaP衬底与AlGaInP - GaP外延薄膜晶片键合的大量量生产。这种可行性取得了图25 （见彩色插图部份） TS GaP -（AlxGa1-x）InP/ GaP键合LED晶片(X～0.3,λ～590nm) 发光图片的证明。均匀的红色说明没有宏观的键合缺点存在（由于这些缺点在一个间隙处改变了折射率，因此容易被观看到）。红色是吸收μm厚激活区带隙上方发光的结果。光传送测量说明在晶片键合界面处没有可发觉到的吸收。另外，整个晶片被做成台式LED说明晶片有97%能够做成器件。唯一的缺点是由晶片制造问题引发的（例如：合金不足，操作时引发伤痕）。这些结果说明化合物半导体晶片键合是一种可用于LED和其它光电器件大量量制造的技术。
图25 直径为50 mm的晶片键合GaP – AlGaInP - GaP 发光二极管（LED）晶片的发光相片。均匀的红色说明不存在无键合区，大的间隙和其他和晶片键合进程有关的缺点。 C、器件特性
采纳晶片键合能够改善光排出的行为,如图26的显微相片所示(见彩色页部份)。（a）吸收衬底（GaAs）和（b）晶片键合透明衬底（GaP）（AlxGa1-x）InP LED 芯片（图26 （b））；关于AS LED （a），光只能从GaP窗口和激活动层排出。但是，关于TS LED（b），所有表面的幅射比较一致，表面电流均匀地流过
图26 （a）GaAs吸收衬底（AS）和（b）晶片键合GaP透明衬底（TS）（AlxGa1-x）InP 发光二
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极管（LED×mil）在λ～nm，工作电流为50mA时的显微相片。晶片键合TS LED所有表面的光辐射一致，说明电流均匀地流过整个器件。
晶片键合界面和整个LED芯片。正如在第V部份第2节所讨论那样。TS LED的光排出效率接近具有厚透明窗口的AS LED的两倍。图27画出用相同（AlxGa1-x）InP LED晶片制造的（a）AS LED小灯（具有厚GaP上窗口）和（b）晶片键合TS LED小灯的光输出与电流（L～I）关系曲线。由DC L～I曲线可见TS器件的发光效率是AS器件的两倍。说明晶片键合界面关于由激活层发射的光是透明的。工作在λ～604 nm的晶片键合LED,工作电流为20mA时，发射的光为（）。TS LED小灯的准直流（10 ms脉冲）特性也说明在100 mA时，发射的最大光通量为11.5 lm（）。另外，图27插入典型的晶片键合TS LED小灯的电致发光（EV）光谱，其FWHM为 nm（）。与相同的AS LED类似。
图27 室温（300K），典型波长λ～ 604 nm时，用相同晶片制成的（AlxGa1-x）InP LED小灯光输出与电流关系曲线（L～I），（a）吸收衬底（AS）和（b）晶片键合透明衬底。与AS器件比较，TS器件的光输出效率提高近两倍。TS AlGaInP LED小灯工作在准DC（10ms脉冲）时（c），在100mA的电流下发射的光通量达到11.5 lm（）。TS AlGaInP/GaP LED的电致发光光谱（插图）说明在峰值波长λ～ 604nm处，半波宽度典型值（）。
化合物半导体晶片键合技术完全能够知足LED大量量生产和实际操作所需要的全数要求。正如第V部份节所讨论那样，很容易实现键合界面的低阻传导，因此容易患到低的工作电压和高的功率转换效率。另外，高质量的晶片键合界面（例如：没有线状位错）使得器件具有优秀的工作寿命特性，因此，晶片键合TS LED的靠得住性与类似的AS LED大体一样（第Ⅶ部份第5节）。另外，晶片键合界面具有专门好的机械强度。使LED能够在千变万化的恶劣条件下工作。例如：图28画出
了晶片键合TS（AlxGa1-x）InP LED在100 mA时正向电压漂移和冷热冲击循环（在- 40～100℃间改变）次数的函数关系。器件的工作电压没有显现明显的增加，说明晶片键合界面结构的高度完整。这些性质说明晶片键合是生产TS LED一种可行技术。1994年，HP公司将TS（AlxGa1-x）InP/GaP LED引入商业市场。当前已经有性能最好的AlGaInP LED销售，另外，TS器件已经在黄绿到红色光谱区生产出迄今为止效率最高的LED（第Ⅶ部份第1和第2节），其外量子效率达到23.7%（636nm），发光效率达到（）。
图28 对晶片键合TS AlGaInP/GaP LED小灯做冷热冲击实验（-40～100℃），电流为100 mA
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（141A/cm）时，正向压降漂移（%）与循环个数的关系。没有发生正向压降的增加说明结构的稳固性和晶片键合界面的完整性。
VI 晶片制造技术
与其它类型的半导体器件比较，LED制造是一个比较简单的进程，一样只需一至二块掩膜版，不需要高分辨率的光刻技术。图29给出了一样晶片制造和管芯制造流程图。固然，这仅仅是一个例子，可能会有其它工艺步骤，这些步骤的顺序也可能会有许多转变。
用光刻方式规定电极图形 完成外延生长的晶片 上欧姆接触薄层淀积
电极合金 电极金属侵蚀 切割 晶片减薄 管芯安放和键合 反面欧姆接触薄层淀积 封装 反面电极合金 LED成品 图29 典型的AlGalnP LED制造进程流程图
在这种情形下，外延生长以后的第一个制造步骤是形成上侧欧姆接触电极。那个电极金属层是用蒸发或溅射的方式，在晶片的上表面淀积一薄层。关于P型电极，通常采纳不同组分的金和锌。上电极的几何图形那么是通过对金属层进行光刻和侵蚀来实现。上电极的形状是一个圆形或一个带手指形状的图案。其例子已经在前面做过讨论并在图6做了说明。一个简短的高温合金步骤用来在金属和半导体界面产生实际的欧姆接触。合金条件和所利用金属和窗口层材料有关，一般是在400～500℃的温度下持续5～10分钟。若是利用AlGaAs作为窗口,那么在AlGaAs的上方可能是一GaAs薄层以有利于欧姆接触的形成。若是是这种情形，那么需要一另外的侵蚀步骤来除去金属电极区域之外的GaAs。因为即便是一个很薄的GaAs层也能够吸收大量器件发出来的可见光。能够选择过氧
化氢，氢氧化铵或硫酸来侵蚀GaAs而不阻碍其它外延结构。
工艺进程的下一步是把衬底减薄到最终芯片的高度。这一步骤能够用标准机械打磨的方式来实现，通常希望最后的厚度为10～12mils。打磨以后通常利用一化字侵蚀的步骤来排除机械打磨进程给衬底造成的轻微损伤。关于GaAs，能够选择过氧化氢，硫酸或氢氧化铵作为侵蚀液；关于GaP能够选择王水做为侵蚀液。晶片制造进程的最后步骤是形成n型衬底反面的欧姆接触电极。那个电极一般是蒸发一个金锗薄层。那个电极也需要进行合金，其进程是在400～500℃左右的温度下持续5～30分钟.
管芯制造进程是将晶片上的器件分离为单独的芯片。能够利用划线分离技术或切割技术。但是，因为管芯很小，只有8～14平方密耳，利用划线分离技术时，在分离进程芯片容易受到损伤。因此，通常宁愿利用切割技术。和在硅集成电路工业一样，那个进程利用金刚石钻头切割轮进行高速切割。切割速度与芯片大小有关，一样一把切刀每小时可加工50000只芯片。
LED器件成品是将芯片装在适合的支架或线路板上，利用导电银浆把芯片反面电极装在支架或线路板，然后利用热超声键合在上电极种上引线。最后，整个器件用透明的环氧树脂进行封装并进行充分的检测。最后器件能够是单灯或多芯片字符排列组件。
VII 器件性能 1. 量子效率
LED一个重要的特性是外量子效率（ηext）。图30给出了（AlxGa1-x）0。5In0。5P LED外量子效率最好报导值（300K，20mA直流电）和峰值电致发光波长的函数关系。所有数据点均对晶片键合TS（AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaP LED（由1μm（AlxGa1-x）0。5In0。5P DH激活层和Al0。5In0。5P束缚层组成）而言。这种TS LED由于提高了光排出性能，因此显示出最高的外量子效率。AS（AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaAs LED（具有一“厚”的透明GaP上窗口或一“薄”的AlGaAs上窗口,后者在激活层下方有一DBR）外量子效率报导的最好值比图30给出的值低2倍左右。在可见光谱的红色区发射波长为的器件。可观看到ηext的最大值为23.7%。这一特性大大超过了波长为650 nm的红色TS AlGaAs LED报导的最好值（ηext：18%）。当波长减少到（黄绿光谱区）时，外量子效率减少2.5倍以上。在光谱区，最好的器件ηext约为9.2%。在黄绿光谱区，效率减少乃至加倍迅速，波长为 nm处。最好的器件外量子效率ηext约为2.2%。
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图30 迄今为止有报导的最好透明衬底（AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaP LED小灯在20mA（44A/cm）DC操作（300K）条件下外量子效率与峰值电致发光波长之间的关系。图中还给出对Γ-X跃迁应用玻尔兹曼统计原理进行计算取得的理论拟合曲线（恒定的辐射 - 非辐射寿命比为（a），（b）和（c））。
图30还给出了理论计算和实验数据的符合情形。这些曲线是通过计算由玻尔兹曼统计给出的直接带（Γ）和间接带（X）最小值处载流子相对数量而取得的。于是，外量子效率由光排出系数和内量子效率的乘积求得：
式中，Cex是光排出系数，（τr/τnr）是少数载流子辐射与非辐射寿命的比率, mex 和meΓ是电子DOS有效质量,EΓ和Ex别离为Γ和X带隙最小值。方程（24）忽略了L间接能谷载流子数量和来自X间接能谷的辐射复合。后者是一个合理的假设，因为在间接能谷中辐射寿命时刻通常要比直接能谷大几个数量级。另外，方程（24）假定所有带（Γ和X）的非辐射复合寿命相等（τnr=τnrΓ=τnrx）。那个计算假定少数载流子寿命比是恒定的，同时利用了方程式（1）～（4）给定的能带结构参数。图30所示拟合曲线的辐射 - 非辐射寿命时刻比为（a），（b）和（c）。关于完全直接带隙（650 nm）的发射，与这些寿命比对应的内量子效率为（a）22%，（b）43%，（c）82%。正如在第V部份第2节所讨论那样，在TS LED中光排出的多重通过使排出效率高出30%。但是，附加的吸收（例如由具有
较低内量子效率的LED激活层造成的吸收）减少了多重通过的光逃离芯片的可能性。因此，图30高的内量子效率曲线（c）假定波长在650nm到550nm转变时，光排出系数在30%～20.5%之间线性转变（如图14所描述，由芯片排出的光为6～5个锥体）。余下的较低内量子效率曲线（a）和（b）假定波长在650～550nm间转变时，光排出系数在22.6%～20.5%之间xian转变（～5个锥体）。
图30所示的理论曲线和实验数听说明（AlxGa1-x）（Al组份X0。5In0。5P LED的效率随波长减少
增加）而不规那么减少，比电子由Γ带到X带充溢所预期的要快。在第Ⅱ部份第节（表I）中少数载流子注入效率和第Ⅱ部份第节（表Ⅱ）载流子在DH中的束缚的计算说明发射波长超过590 nm时。这些机理可不能降低（AlxGa1-x）LED的效率。而且，表I和表Ⅱ的计算还说明在590～570 nm0。5In0。5P
的光谱区，由这些现象引发的LED效率减少可不能大于40%。因此，外量子效率随波长减少而不规那么减少能够以为是由于Al浓度较高的激活层中非辐射复合中心浓度的增加而起的。已经发此刻（AlxGa1-x）这些陷阱和氧和施主杂质的存0。5In0。5P合金系统中深陷阱密度随Al成份的增加而增加。在有关。尤其是（AlxGa1-x）0。5In0。5P LED中氧的增加直接致使LED外量子效率的减少。这种不规那么减少的另一种可能缘故是L最小值数量的减少。正如在第Ⅱ部份第节所讨论那样，不能够取得和L最小值有关的资料。在计算图30曲线时已经忽略了这种阻碍。因此，有各类现象能够以为是造成（AlxGa1-x）0。5In0。5P LED量子效率随波长减少而明显减少的缘故。
2. 发光效率
发光效率是器件每输入1瓦功率所发射的光通量，该参数是关于衡量可见光LED和其它光源的特性是很重要的。图31画出了TS（AlxGa1-x）（实线和圆点）和AS（AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaP LED0。5In0。
LED（虚线）发光效率最好报导值和EL峰值波长的关系曲线。注意到AS AlGaInP LED的曲5P/GaAs
线代表了最厚GaP窗口器件和在激活层下方有一DBR的最薄AlGaAs窗口器件的特点。同时画出了一般LED的一样性能和由Nichia化学公司取得的单量子阱lnGaN - Al2O3 LED在可见光的蓝和深绿区发射最好的测量值。在黄绿到红色光谱区（570～640nm），TS AlGaInP/GaP LED 的性能超过了所有其它技术，是AS AlGaInP/ GaAs LED的两倍。TS AlGaInP/GaP LED在 nm波优势发光效率最高，达到。因此，在可见光谱的黄色和橙色区，AlGaInP LED（AS～TS）的发光效率大约是一般GaAsP：N/GaP器件的25～50倍。TS AlGaInP/GaP 器件在黄绿区的效率减少，波长为571.4 nm的器件，最好的LED lm/w。这一效率比一般GaP：N/GaP LED在黄绿光谱区相同波优势的发光效率大5倍。在可见光谱的红色区，波长为 nm处，TS AlGaInP/GaP器件的发光效率为。因此，AS和TS AlGaInP器件的性能超过了波长更长（650nm）的一般 TS AlGaAs/ AlGaAs红色LED。
图31最好的透明衬底（AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaP （实线和圆点）和最好的吸收衬底（AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaAs（虚线）LED小灯工作在温度为300K，直流电流为20mA条件时，发光效率和电致发光峰值波长之间的关系。TS AlGaInP LED小灯比AS AlGaInP LED小灯的发光效率提高了两倍。在555～650nm的光谱区，AlGaInP发射器的发光效率优于现时所有商业化LED。在λ～607nm处，TS AlGaInP LED的发光效率达到的最高值，超过了目前报导的所有LED器件的特性。
图31所示AlGaInP LED的效率还可与许多经常使用光源竞争。在黄绿到到红色光谱区（570～640nm）。最好的TS AlGaInP LED的特性超过了无滤光60W白炽灯泡（15lm/w）。另外，在黄到红光谱区，其性能超过了无滤光30W卤灯（25lm/w）且开始接近400W汞汽灯（60lm/w）。70W金属氦灯（70 lm/w）和50W高压钠灯（80 lm/w）。因此，AlGaInP LED的性能比得上各类低通量（功率）应用光源。当前，商业化AS和TS AlGaInP LED的平均性能约为图31所示曲线的一半。能够预言，随着材料生长技术的不断进展，这一性能将取得进一步改善。 3. 电流-电压特性
具有透明厚GaP上窗口层的典型AS和TS （AlxGa1-x）0。5In0。5P LED（λ～590nm）的电流 - 电压（I - V）特性别离为图32和33所示。两种器件显示出一般二极管的正向导通特性（～）,反向击穿电压的范围在15V～30V之间。AS器件在正向偏置工作条件下的电阻约3～6Ω,使得典型的正
向压降在20 mA时为2.0～2.1V( 图32 )。TS器件的正向电阻要高一些,约10～14Ω，使得工作电压在20mA时比相同的AS器件要高约。在TS器件中正向电阻增加主若是由于TS器件的GaP衬底电阻率比较高和反面欧姆接触电极图形的存在。若是晶片键合进程进行适当，那么与晶片键合TS界面有关的电阻对那个电阻没有明显奉献（第V部份第节）。图34画出了具有厚GaP上窗口层AS（a）和TS（b）器件I～V特性半对数图。两种器件表现出类似的低电流行为。由操纵注入的复合（二极
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治理想因子n = 2）到辐射扩散注入（二极治理想因子n =1）的跃迁大约出此刻100μA（A/cm）处。
一个具有薄AlGaAs窗口（～4μm），电流阻挡层和AlInP/GaAs DBR的典型AS（AlxGa1-x）0。5In0。
5P LED的正向I～V特性如图35所示。这种器件在二极管导通后的正向电阻为10～15Ω，使得在20 mA时正向电压为～。DBR层对正向电阻的奉献可由在GaAs衬底上生长的n型AlInP/GaAs DBR
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的I～V特性估量。GaAs衬底反面全数由金属欧姆接触电极复盖并切划为LED芯片（14×14mil）。DBR I～V特性（图35插图）说明DBR对DBR LED正向电阻的奉献小于5Ω。附加电阻大部份是由薄AlGaAs窗口层的电流集中效应引发的。
图32，典型的吸收衬底GaP - AlGaInP/GaAs发光二极管(λ～590nm)在室温(300K)，直流工作情形下的电流 - 电压(I～V)特性.在20mA时LED的正向电压大约为～。反向击穿电压大约发生在-15～-30V范围。
图33 典型的透明衬底GaP - AlGaInP/GaP发光二极管(λ～590nm)在室温（300K），直流工作情形下的电流 - 电压（I～V）特性。在20mA时LED的正向电压为～。反向击穿电压在-15～-30V范围。
图34 典型的吸收衬底（a）GaP - AlGaInP/GaAs LED和透明衬底（b）GaP - AlGaInP/GaP LED(λ～590 nm )正向DC特性电流 - 电压半对数图（10gI～V）。由操纵注入的复合（二极治理想因子n = 2）
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到辐射扩散注入（二极治理想因子n =1）的跃迁大约出此刻100μA（A/cm）处。
图35 带有DBR和电流阻挡层的典型吸收衬底AlGaAs - (AlxGa1-x）0。5In0。5P/GaAs发光二极管(λ～590nm)正向电流 - 电压（I～V）DC特性。这些器件的正向电压在20mA时大约是～。插图是一个由AlInP/GaAs DBR单独组成的芯片的I～V特性。 1． 电致发光光谱
AlGaInP LED的电致发光光谱具有直接带隙半导体对称形状的特点，其半波宽度为50 mev，即大约15nm。图36画出了(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED调剂激活层中Al组份X使得发射的峰值波长在554～622nm范围时取得的一系列光谱。光谱半波宽度要紧由器件激活层中的搀杂水平决定。光谱随着波长的减少而变窄，这是激活层中Al增加，搀杂减少的结果。
图36 由(AlxGa1-x）每一光0。5In0。5P发光二极管在激活层中5种不同铝含量X取得的系列光谱。
谱的峰值强度被标准化。由于在铝含量较高器件的激活层中搀杂水平较低，光谱半宽随波长减少而减少。
直接带隙材料还有一个特性是完全规定了发射波长随温度的转变。那个转变和半导体带隙随温度的转变是一致的。对AlGaInP LED中不同峰值波长的温度系数进行测量。结果发觉：峰值波长在590nm周围时，温度系数为0.078 nm/℃，峰值波长在620nm周围时，温度系数是0.096 nm/℃。
驱动电流也可能阻碍颜色的漂移，这主若是由器件的热阻引发的。在颜色操纵较为重要的应用中,必需限制驱动电流和采取适当的散热方法。还必需考虑环境温度的阻碍,尤其是在室外应用的
场合,因为这时工作温度可能接近85℃。 5.靠得住性
以(AlxGa1-x）这在当前AlGaInP固0。5In0。5P合金为基础的发光二极管通常具有卓越的靠得住性。
体灯泡与白炽灯泡彼此竞争的许多应用处合。是一个专门大的优势。这种不同是因为在LED内部电子一空穴复合进程产生的光不是一个内在的破坏进程（相较之下，高温白炽灯泡的灯丝在长时刻利用后会被破坏）。图37画出了八种晶片键合TS (AlxGa1-x）LED小灯在环境温度为55℃。0。5In0。5P/GaP
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工作电流50 mA（70A/cm)条件下的长期高温靠得住性行为。在通电17000小时后，器件的光输出衰减约14%。由时刻大于1000小时（虚线）的数据能够推出，光输出下降到70%初始值的平均工程寿命时刻超过120，000小时。在具有厚的晶格不匹配GaP窗口的AS (AlxGa1-x）0。5In0。5P LED中也观看到一样的行为，说明晶片键合技术或不匹配的窗口可不能对器件的靠得住性带来不利阻碍。这些LED的工作寿命比传统的白炽光源要大得多，白炽光源寿命一样在1000～10，0000小时的范围。对具有薄AlGaAs窗口层的AS (AlxGa1-x）0。5In0。5P LED做时刻较短（1500 h），温度较高（80℃）的实验，取得的数听说明一样有卓越的靠得住性行为。这些数听说明在靠得住性要求超级高的场合利用(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED是可行的。
( AlxGa1-x）0。5In0。5P LED的靠得住性对器件的工作电流密度是很灵敏的，电流密度增加时，靠
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得住性变差。就现有器件而言，电流密度应当维持在150A/cm或更少些以确保器件具有高的靠得住性。另外，在- 40℃～55℃的温度范围，靠得住性行为不是温度的强函数，使得难以精准的求出器件衰变的激活能。这些电流密度和温度的趋势和在(AlxGa1-x）0。5In0。5P 激光二极管中观看到的结果是一致的。
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图37 晶片键合TS AlGaInP/GaP LED小灯在50 mA（70A/cm）工作电流下的长期、高温( 55℃环境温度 )靠得住性行为。通电17，000小时以后，LED的平均光输出衰减14%。由1000小时后的衰减行为（虚线）推算器件光输出衰减为70% 初始值的工程寿命时刻超过120，000小时。
可在85℃，85%的相对湿度（高温高湿）条件下高靠得住性的工作是带GaP窗口层（AS和TS）的(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED的特点。图38画出了TS AlGaInP LED（a）的这种靠得住性特点，可见在通电2000 h后，光输出大体没有显现衰减。这种行为与TS AlGaAs LED（b）的行为形成鲜明对照。后者在高温高湿条件下，由于器件内部高铝成份AlGaAs层的水解衰变。造成光输出的急剧衰减。关于带高组份AlGaAs窗口层的(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED，除非AlGaAs被一层稳固的氧化物或一惰性的AlGaInP层爱惜，不然也能够观看到类似的行为。因此，(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED能够在超级苛刻的环境中高靠得住性的工作。
图38 （a） TS GaP - AlGaInP/GaP LED小灯和（b）TS AlGaAs/ AlGaAs LED小灯在温度为85℃，相对湿度85%，工作电流20mA的条件下，标准化的光输出与通电时刻关系曲线。和以AlGaAs为基础的器件不一样，以GaP - AlGaInP为基础的LED光输出没有明显的衰减。TS AlGaAs LED的衰减被以为是器件内部高铝含量的AlGaAs层水解衰变的结果。
Ⅷ 结论和前景
(AlxGa1-x）0。5In0。5P 发射器的进展带来了可见光LED性能的一次革命,黄色和橙色可见光谱的器件与一般LED比较,效率提高了近50倍。另外，红色光谱(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED的效率目前超出一般高亮度透明衬底AlGaAs LED的2至4倍。而且，在黄绿到红色光谱区（570～640nm），最好(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED的发光性能超过了无滤光的白炽灯泡（15lm/w）。在黄色和橙色光谱区，发光效率已经达到40～50 lm/w。这种水平的性能带来LED新市场的显现，使LED开始在无数应用领域取代白炽灯。随着LED新技术的不断涌现和效率的继续改善，这些市场将继续进展。以后性能及本钱较低的吸收衬底（AS）和性能及本钱均较高的透明衬底（TS）器件均有大量需求。这些需求取决于应用的需要（例如：能量效率和亮度，LED部件的数量对系统本钱的阻碍等）。
OMVPE外延生长技术增进了高质量，晶格匹配材料的生长，使( AlxGa1-x）0。5In0。5P LED的进展成为可能。另外，(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED的商品化要求OMVPE生长技术不断改良。同时，为了实现这些器件的低本钱，高效率和大量量制造，需要大容量的晶体生长反映器。OMVPE生长还使许多旨在提高器件性能的复杂结构得以实现，这些结构包括双异质结（DH）激活区，电流阻挡层，电流扩展层和散布型布喇格反射器（DBRS）。OMVPE进程低的生长速度使其固有形成薄层的技术。因此，为了增强电流扩展和光排出，将与低本钱，高效率实现厚（大于50μm）透明窗口相应的其它技术结合到OMVPE (AlxGa1-x）0。5In0。5P LED结构中，能够最大限度地提高器件性能。结果，已经利用了气相外延（VPE）和最新发明的化合物半导体晶片键合技术来实现效率最高的器件。因此，( AlxGa1-x ）0。5In0。5P LED是目前商业市场上能够取得的效率最高且最为成熟的可见光LED。 可见光(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED成为商业器件还不到七年时刻，材料生长技术的进一步改善和更成熟器件结构的实现，必将使LED的效率取得不断改良。完全能够想象，这些进步最终可能使(AlxGa1-x）
lm/w的范围。效率的提高和固体灯高的靠得住性，必将致使0。5In0。5P商业器件的效率达到80～100
光源市场更为普遍的竞争。最好的商业化LED发射的可见光通量为几个流明。而60W的白炽灯发射的通量约1000lm。因此，为了真正与这些光源竞争，需要进展高功率的LED。在实验室已经显现发射光通量达到84 lm的单片大面积(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED。但是，为了使高功率的LED器件真正成为商品，还需要对器件的效率和工作特性做大量改良。因此能够预期，以后(AlxGa1-x）0。5In0。5P LED还将有许多重大进步，这些进步将开辟固体灯应用的新领域。
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