半导体发光二极管(LED,Lighting Emitting Diode)作为一种发光器件,它是利用半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合产生光子发射,具有效率高、能耗小、寿命长、绿色环保等特点,被称为第三代照明技术的革命。自20世纪60年代初首只GaAsP红色LED诞生以来,人类一直致力于固态光源的实现,特别是1995年成功地开发出Ⅲ/Ⅴ族氮化物蓝光LED后,世界上真正结束了没有原色蓝光的历史,开辟了全彩LED照明的新时代。现在已经实现了红、黄、绿、蓝、白光LED的生产应用,发光效率与LED诞生初期相比亦提高了近千倍,在全球掀起了LED研究开发和半导体照明的热潮。目前,LED研究的热点问题就是提高LED的效率,制备高亮度、高性能的LED器件。　　 本文围绕如何提高GaAs基AlGaInP系LED的光提取效率,分析了材料特性、LED发光机理,从器件结构设计与工艺改进等各方面着手,制备了小尺寸、高亮度、高可靠性的LED器件,同时进行了新型隧道共振LED的研究,主要研究内容和取得的成果如下:　　 论文首先分析了常规LED发光效率受到限制的原因,目前采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD,Metal Organic Chemical Vapor Deposition)系统生长的GaAs基AlGaInP系LED的内量子效率接近100％,可是外量子效率却很低,通常不到10％,限制外量子效率的主要原因是:GaAs衬底的吸收、半导体材料与空气折射率的差值导致全反射作用使得大量的光子无法发出到体外、出光面金属电极对光的阻挡与吸收等等。简单介绍了LED主要的电学及光学特征参数,这些参数对我们分析和研究LED的性能具有很大作用。　　 其次,针对LED存在的以上问题分别提出了相关的解决方案,进行了新型结构LED及工艺的研究与开发。采用表面粗化与氧化铟锡(ITO,Indium-Tin—Oxide)导电透光薄膜结合形成一种新的表面增透结构,该表面增透结构的引入,使得LED的输出光强比常规LED平均增加了50％以上；通过后工艺的设计,在LED上电极的正下方引入电流阻挡层,使得注入电流绝大部分流向电极以外的有源区,增加了电流的横向输运,有效地减小了电极正下方的电流占全部注入电流的比例,也消减了这部分电流所带来的热效应,因此,大大提高了LED的光提取效率,而且器件尺寸越小,光强增加效果越明显,器件尺寸为8mil×8mil时,裸芯轴向光强达到200mcd@20mA(主波长:623nm),可靠性高,寿命长,而且制备工艺简单,现在已成功地进行产业化转移,产品在市场上具有很大的竞争力。　　 再次,利用光子晶体的光子带隙效应和光栅衍射原理,将光子晶体结构引入了AlGaInP系LED的结构设计及器件制备,理论分析与实验结果显示:二维光子晶体对于提高AlGaInP系LED的光提取效率起到了明显的效果,二维光子晶体LED的输出光强比常规LED平均提高了16％；另外,在AlGaInP系LED的出光面采用纳米压印光刻技术引入表面纳米结构,以改变光子的传播路径,从而使得更多的光子能够发射到体外,表面纳米结构的引入对于提高LED的光提取效率有着极大的作用,发光强度平均增加了一倍以上,并且改善了器件的光学特性、热特性和饱和特性；同时,提出了一种新的方法使用导电胶将GaAs基AlGaInP系LED粘合在硅衬底上,形成n-面出光的高性能倒装结构LED,实验结果发现,在20mA注入电流下,导电胶粘合的AlGaInP-Si裸芯LED,饱和电流为125mA,对应的轴向光强为1007.4mcd,而常规LED分别为105mA和266.2mcd。对导电胶粘合的AlGaInP-Si裸芯LED进行老化考核,常温下,50 mA电流下工作768小时,输出光强仍然增加了3.2％,说明了该器件可靠性强,使用寿命长。　　 进行了新型的介质分布布拉格反射镜(Dielectric Distributed Bragg Reflector,DDBR)结构的RCLED的研究,从结构和工艺上有效地实现了多谐振腔的器件结构,在传统RCLED第一谐振腔以外增加第二谐振腔,第一腔为传统RCLED中包含有源层的无失谐腔,第二腔为采用半波长整数倍的GaP或ITO形成的无源腔,这样可以加强大部分自发辐射复合光的产生,同时可以形成更窄的发射图形,从而获得更高的提取效率；在上述多层SiO2/Si3N4介质膜形成多谐振腔结构RCLED的基础上,我们又提出了表面为光子晶体结构的双腔RCLED,称为PC—RCLED(Photonic Crystal Resonant Cavity LED)该结构形成了一种新型的光子自循环结构,更有利于提高器件的发光效率,改变光束质量；另外,提出了一种全新的器件——共振隧道发光二极管(RT-LED,Resonant Tunneling LED),其结构由共振隧道器件与发光二极管相结合,发光二极管的输出特性由共振隧道器件产生的脉冲输入信号决定,该新型器件也被称为光学双稳态发光二极管,这种新型器件将会带来许多新的应用。　　 针对 AlGaInP系大功率LED在大电流工作时发热严重的问题,提出了一种复合电流扩展层和复合分布式布拉格反射层(DBRs)的新型结构LED,使得注入电流在有源区充分地扩散,同时提高了DBRs对光子的反射率。结果显示,这种新型复合结构LED比常规LED的性能得到了很大的提升,350mA注入电流下,p-面出光的两种器件,尺寸为1mm×1mm,其裸芯输出光功率分别为49.48mW和17mW,同时,对器件发热进行了量化测试,分析了LED发光效率与结温的关系,两者流明效率和结温升的比值分别保持一致性,通过减少内部发热,控制结温可以大大地提高LED的发光效率。　　 最后,通过理论计算与实验结果发现:AlGaInP系LED在大电流工作下,工作电压与输出光强出现了同时饱和的特性。本文从理论上分析了输出光强饱和的主要原因是大电流下的泄漏电流和非辐射复合,体内热量增加使得p-n结结温增加,从而载流子分布发生了变化,最终导致量子效率降低,输出光强变小。通过结温的测试及变电流实验,验证了以上现象。另外,分析了载流子输运机理以及LED的工作电压随输入电流变化的特性,小注入时,器件电导率主要决定于载流子浓度与工作温度,电压逐渐增加达到饱和,然后主要决定于串联电阻和p_n结的界面电阻,随着注入电流的增加和结温的上升,电压逐渐减小。饱和特性是LED的一个重要参数,因此,为了避免LED达到饱和工作状态,除了优化器件结构,同时还需要降低器件工作温度。