提高LED光效的芯片发光层结构设计方法解析

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LED的芯片结构设计是一项非常复杂的系统工程，其内容涉及以提高注入效率和光效为目的电致发光结构设计、以提高学出光效率为目的的光引出结构设计和与光效密相关的电极设计等。随着MOCVD外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延、掺杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，处延片的内量子效率已有很大提高。像波长为625nm的A1InGap基LED，内量子效率已接近极限，可达100％.A1InGap基LED的内量子效率虽远比A1InGap基LED的低，但也达40％～50％。
大家知道，LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的出光效率，提高LED发光效率的关健是提高芯片的外量子效率，这在很大程度上决于芯片的出光效率。为此HBLED和超HBLED要求设计新型芯片结构来提高器件的出光效率，进而提高发光效率。下面对提高LED发光效率的技术途径和发展状况作简要介绍。
优化芯片发光层能带结构
设计不同的发光层结构，可以提高LED的光效。目前人们所采用的发光层结构主要有以下两种：
一是双异质结（DH）
异质结LED相对于同质结LED来说，其P区和N区有带隙不同的半导体组分。在异质结中，宽带隙材料叫势垒层，窄带隙材料叫势阱层。只有一个势垒层和势阱层的结为单异质结（SH），有两个势垒层和一个活性层（即载流子复合发光层）的结叫双异质结。双异质结的两个势垒层对注入的载流子起到限域作用，即通过第一个异质结果面扩散进入活性层的载流子，会被第二个异质结界面阴挡在活性层中，致使目前HBLED能带结构通常都采用双异质结。
二是量子阱结构
活性层的变薄能够有效地提高辐射复合效率，并且能减少再吸收。但是，当活性层的厚度可以与晶体中电子的德布罗意波相比拟进，载流子会因为量子限域而发生能谱的改变。这种特殊的结构被称为量子阱（QW）。势阱中的载流子能带不再连续，而是取一系列的分立值。活性层既可以是单层，即单量子阱（SQW）；也可以为多层，即多量子阱（MQW）结构。采用量子阱结构的活性层可以更薄，造成对载流子的进一步限域，更有利于效率的提高。已经发现，发光波长为565nm的A1InGap双异质结LED，当活性层厚度在0.15～0.75nm的范围内时，光效最高；超出这个范围时，光效则急剧下降，这是由于活性层太薄，容易引起载流子隧道穿透到活性层之外；如果活性层太厚，载流子复合效率会降低。量子阱结构是目前HBLED广为采用的能带结构之一。