提高內(nèi)量子效率(IQE)成員：安如陽(yáng)、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(guó)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(zhǎng)出高質(zhì)量的材料。半導(dǎo)體材料的選擇右圖示出了Ⅲ-Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族元素的帶隙(Bandgap)與晶格常數(shù)(LatticeConstant)的關(guān)系。直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體，選擇哪一類(lèi)半導(dǎo)體更能提高內(nèi)量子效率呢？?jī)?nèi)量子效率的定義內(nèi)量子效率（ηint）是一個(gè)微觀過(guò)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(wú)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(guò)測(cè)量LED輸出的光功率來(lái)評(píng)價(jià)這一效率。直接躍遷過(guò)程比間接躍遷過(guò)程簡(jiǎn)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(jiàn)，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(guò)程是通過(guò)一些發(fā)光中心來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就使得過(guò)程復(fù)雜化，間接躍遷過(guò)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ηi。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AlGaInP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(shì)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?gòu)?fù)合過(guò)程a.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?gòu)?fù)合輻射和非輻射之間的競(jìng)爭(zhēng)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

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)失配很小（小于0.1%）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(guò)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)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。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（Eg3＞Eg1＞Eg2）制作電子阻擋層，防止電子漏入P型導(dǎo)電區(qū)來(lái)提高注入效率。有源層是一個(gè)右邊和左邊勢(shì)壘為U1和U2的非對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)形成的多層結(jié)構(gòu)，勢(shì)壘層足夠厚，相鄰勢(shì)阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，多層結(jié)構(gòu)形成許多分離的量子阱。簡(jiǎn)單而言，就是由多個(gè)勢(shì)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。改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.改善電流分布簡(jiǎn)單介紹一下

材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)IQE的影響雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：兩側(cè)的覆層（CladdingLayer）的禁帶寬度要大于活性層（ActiveLayer），AL采用量子阱結(jié)構(gòu)能更好的限制載流子，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。活性層（ActiveLayer）活性層（ActiveLayer）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(guò)覆層（CladdingLayer）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。覆層參雜

覆層（CladdingLayer）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(guò)活性層（AL）用來(lái)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(guò)n型。覆層中p型雜質(zhì)濃度過(guò)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)。緩沖層在襯底上生長(zhǎng)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(zhǎng)簡(jiǎn)單GaN緩沖層其位錯(cuò)密度仍在10^8~10^9個(gè)每平方厘米，但是通過(guò)側(cè)向過(guò)生長(zhǎng)外延GaN緩沖層，改進(jìn)緩沖工藝，可以把位錯(cuò)密度降低到10^6~10^7個(gè)每平方厘米。LED對(duì)外延片的技術(shù)要求禁帶寬度適合，LE