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自LED面世半个世纪以来,技术日新月异。红光LED已经得到了长足的发展,内量子效率已经接近100%,而人们对还在孜孜追求着更高效率的红光LED。正是在这种背景下,更高亮度红光LED的研发提上日程。 LED的亮度和出光效率与其采用的结构、有源区的选择、结构生长中的外延质量以及后期制备工艺都紧密相关。 谐振腔发光二极管(RCLED),通过其微腔效应的作用,改变了有源区自发辐射的模式,进而对辐射光谱的频率和角度作出限制,可以大大提高内、外量子效率,是一种制备高亮LED非常优异的结构。 红、橙光发光材料先后经历了发光效率不高的混合带隙GaAsP材料、高亮度的直接带隙材料AlGaAs和更高亮度的直接带隙材料AlGaInP时代。由于人眼对不同波长的光谱敏感程度不同,在同等功率的情况下630nm的波长亮度为传统650nm红光的2.5倍,更适合做高亮度发光器件。 制作630nm的有源区材料为低Al组分的(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P,其生长温度研究相对较少,为避免Al组分引入C和O杂质的并入,生长需要较高的温度,同时,为避免In组分的挥发,又需要较低的生长温度,所以找到其合适的生长温度窗口显得很有必要。 利用MOCVD生长外延片时还需要进一步研究相关材料尤其是GaAs系的生长,包括生长温度、压强、Ⅴ/Ⅲ比、掺杂浓度等对器件的影响。设计好RCLED芯片结构后,需要确定结构的具体材料和达到相应目的需要的组分。外延片生长完成需要对关键参数如代表有源区的中心波长、代表DBR的反射率、代表谐振腔厚度的共振波长作以测试。 最后需要对生长完的外延片按照一定的工艺流程制成芯片,并测试其关键电学、光学特征参数。 文章按照以上思路和顺序,设计RCLED结构,关键参数有辐射中心波长630nm,上、下DBR反射率分别为99%和70%,谐振腔厚度1-λ。实际MOCVD生长中,有源区采用(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P材料构成多量子阱结构,共生长3对;DBR采用Al0.6Ga0.4As/AlAs各λ/4交替生长,下DBR34对,上DBR7对;窗口层采用GaP薄层代替GaAs等,并确定了每层生长的厚度、生长温度、掺杂浓度等,最终生长出了相关结构的RCLED外延片。在测试PL谱、白光反射谱、掺杂浓度后,工艺流片制作出了相应的RCLED裸芯片,在20mA的电流下工作电压为2.8V,光辐射功率为0.91mW,中心波长631nm,主波长620nm。通过实验对比,比传统LED和以GaAs作为电流扩展层的RCLED出光效率都有不同幅度的提升。