光电子・激光
第17卷第4期 2006年4月 J ournal of Optoelect ronics ・L aser Vol. 17No. 4 Apr. 2006
・研究简报・
PIN 结构发光二极管反向击穿特性分析
3
3
李树强1,23, 夏 伟1,2, 马德营1, 张 新2, 徐现刚1,2, 蒋民华1
(1. 山东大学, 山东济南250100; 2. , 摘要:通过利用突变结PIN ) 反向击穿电压与非故意掺杂有源区厚度的线性相关性P (MQW ) 有源区Al GaInP L ED , 。同时获得了Al G aInP
MQW 这些结果可以作为具有PIN 结构的L ED 性能优化的重要
(L ED ) ; 反向击穿电压; 多量子阱(MQW ) ; PIN 结构
:TN312+. 8 文献标识码:A 文章编号:100520086(2006) 0420506203
Analysis on PIN Type L ED ′s R everse B reakdow n Characteristics
L I Shu 2qiang 1,23, XIA Wei 1,2, MA De 2ying 1, ZHAN G Xin 2, XU Xian 2gang 1,2, J IAN G Min 2hua 1
(1. Shandong University ,Ji ′nan 250100, China ; 2. Shandong Huaguang Optoelectronics Co. Ltd. Ji ′nan 250101,China )
Abstract :Thelinear relation between the reverse breakdown voltage and un 2doping active
region ′s thickness of PI N light emitting diode (LED ) was analyzed by using the ideal PI N structure ′s electric field distribution model. LEDs with varied un 2doping multi 2quantum wells (MQWs ) active region thickness were grown with LP 2MOCVD ,and the breakdown voltage was con firmed to be linear with the thickne ss of the un 2doping active region. At the same time ,the critical breakdown electric intensity of Al GaInP MQW structure was obtained. The re sults were very useful during the optimizing process for the PI N LED ′s structure.
K ey w ords :lightemitting diode (LE D ) ; breakdown voltage ; multi 2quantum well (MQW ) ; PI N structure
1 引 言
发光二极管(L ED ) 具有高效率、长寿命、节能和环保等优点, 目前广泛应用于指示灯、数码管、显示
屏、信号灯和固态照明等领域[1～3]。早期的L ED 为GaAsP 、Ga P PN 结, 其效率和发光强度很低。20世纪80年代,Al GaAs L ED 的诞生, 极大地推动了可见光L ED 的发展。20世纪90年代,Al GaInP L ED 和GaN L ED 的配合, 使高亮度L ED 覆盖了可见光的所
有波段。目前,Al GaInP L ED 和GaN L ED 性能接近传统照明要求, 正在引发一场意义深远的照明革命[4～7]。
为提高发光效率,L ED 的结构也从简单的PN 结变为双异质结(D H ) 和多异质结(MD H ) , 此后又出现了多量子阱(MQ W ) [8～10]和应变多量子阱(SMQW ) [11]。这些结构从导电类型上看, 为PIN 结构。由于目前L ED 反向击穿电压通常高于10V , 因此更多的研究集中到L ED 发光效率的提高和正向电
3收稿日期:2005206230 修订日期:2005210228 3 E 2
m ail :sqli @beelink.com
・507・
压的控制, 对反向特性的研究很少。作为半导体器件性能的一个重要指标, 反向击穿电压包含了器件结构的诸多信息, 如掺杂浓度、材料质量、材料厚度和杂质扩散等, 对该性能指标进行研究, 有利于深刻理解L ED 的发光特性。本文通过突变结PIN 理想结构电场分布模型, 分析了L ED 反向击穿电压与掺杂的相关性。
(1) |x n |+|x p |
ε为介电常数;V bi 为内建电热, 其表示式为其中:
V bi =(KT/q ) ln (N d N a /n i 2) 结构内建电场最大值为E m , V bi 又可表示为 V bi =1/2(W d +d ) E m 另外, 由电荷的守恒条件有 x n -d ) |p |
, 。
(2)
I 区因为没有净电荷存在, 电场强度为常数,PIN
(3) (4)
2 PIN L ED 能带结构和反向击穿特性
PIN L ED 具有特定的掺杂分布, 如Al GaInP
L ED 为在n +2GaAs 衬底上先生长n 型Al Ga 限制层, 再生长掺杂的有源层(D H H SMQ W ) , 然后生长p 型+流扩展层。的杂质分布荷电场分布如图1所示[12]
。
r , W d 展宽, 同时|E m ||m E B 时。
假定P 区耗尽区宽度为X p ,N 区耗尽区宽度为
X n , 由图1可知
X p =|x p | X n =x n -d
(5) (6)
通常在L ED 结构中, I 区厚度d 远大于X n 和
X p , 施加的反向电压绝大部分降在I 区内。如果有2
个L ED , 其I 区厚度分别为d 1、d 2, 测量出其反向击穿电压分别为V br 1、V br 2, 则忽略P 、N 区的耗尽区扩展后, 根据图1中的电场分布可得
V br 1+V bi =(1/2) (X n +X p +2d 1) E B V br 2+V bi =(1/2) (X n +X p +2d 2) E B 由式(7) -式(8) 得
V br 2-V br 1=(d 2-d 1) E B
(7) (8) (9)
即V br 与I 区厚度成线性关系, 该曲线斜率为E B 。
3 实验过程及结果分析
利用L P 2MOCVD 设备制作了具有不同有源区厚度的Al Ga InP MQWs L ED 样品, 其基本结构如图2所示。
图1 理想PIN 结构的杂质分布、空间电荷密度、电场强度和能带图
Fig. 1 The doping distribution ,space ch arge density , electric intensity and energy b and of ideal PIN structure
该模型认为杂质分布是突变的, 没有考虑制备过程的杂质扩散, 同时认为有源区为中性半导体材料, 在能带分布中没有表示出异质结带隙差。图1中, x 轴坐标原点为p 2i 结处, 耗尽区宽度W d 可以表示为ε(N a +N d ) V bi /(qN a N d ) +d 2]1/2= W d =[2
图2 PIN Al G a I nP MQ W LE D 结构示意图
Fig. 2 Diagramm atic sketch of PIN Al G a InP MQ W LE D
・508・
光电子
・激光 外延材料是在(100) 偏〈111〉方向15°的n 型
GaAs 衬底上, 利用TMA1、TM Ga 、TM In 做Ⅲ族源, P H 3、As H 3做Ⅴ族源, 在720℃下先后依次生长20对n 型Al 0. 6Ga 0. 4As/AlAs DBR 结构、1. 0μm 厚的n 型(Al 0. 8Ga 0. 2) 0. 5In 0. 5P 下限制层、总厚度为d 的非掺杂(Al 0. 6Ga 0. 4) 0. 5In 0. 5P/Ga 0. 5In 0. 5P MQW 有源区、1. 0μm 厚的p 型(Al 0. 8Ga 0. 2) 0. 5InP 0. 5P 上限制层和8
MOCVD 技术生长了不同有源区厚度的Al GaInP L ED 对上述结论进行了验证, 实验结果与理论分析
非常吻合。直接测量出了Al Ga InP MQW 结构材料的E B , 数值为5. 4E 5V/cm 。
由于Al GaInP MQ W L ED 有源区为(Al 0. 6Ga 0. 4) 0. 5In 0. 5P/Ga 0. 5In 0. 5P 组合, 该临界电场强度是材料组分、质量、厚度、的, 因此可以作为L ED 。:
[1]Light s (LE Ds ) for general illu 2
:Sandia National Laboratorie s ,2002. 2. [2]H ong 2li ,WANGJin ,WANGJing , et al. Develop LE D
white light illuminator[J].Journal of Optoelectronics ・la 2ser (光电子・激光) ,2004, 15(6) :6572659. (in Chinese ) [3] ME NG Ji 2wu ,WANG Y an 2xin ,WANG Jing , et al. Study of
white LEDs by light conversion[J].Journal of Optoelec 2tronics ・laser (光电子・激光) ,2003, 14(6) :5662569. (in Chine se )
[4] K ovac J , Peternai L ,Lengyel O. Advanced light emitting
diode s structure s for optoelectronic applications[J].Thin Solid Films ,2003, 433:22226.
[5] J eff Y Tsao. Solid 2state lighting :lamps ,chip s and materi 2
als for tomorrow [J].IEEE Circuits &Device s ,2004, 20(3) :28237.
[6] K laus Streubel ,Norbert Linder , Palph Wirth , et al. H igh
brightne ss AlGaInP light 2emitting diodes[J].IEEE Journal on Selected T opics in Quantum E lectronics ,2002, 8(2) :3212332.
[7] J eff Y Tsao. Solid 2state lighting :lamps ,chip s and materi 2
als for tomorrow [J].IEEE Circuits &Device s ,2004, 20
μm 的p +2Ga P 穿口层(电流扩展层) 。然后将外延材
料制作成230μm ×230μm 的管芯, 并封装成φ5mm L ED , 利用图示仪测量其V br 。不同有源区厚度样品
的V br 测试结果见表1。利用表1数据制作的V br 关系曲线如图3所示。
表1 a I nP D
T ab. 1 R n voltage of the samples
with varied active layer thickness
Sample
No.
d /A V br /V
135002117
243002715
351003115
459003417
图3 Al G a I nP MQ W LE D 反向击穿
电压与有源区厚度关系曲线
Fig. 3 Correlation curve betw een reverse breakdow n
voltage and the thickness of the active region for Al G a I nP MQ W LE D
(3) :28237.
[8] CHE N G ui 2chu ,FAN G uang 2han ,CHE N Lian 2hui , et al. Op 2
timum Al compo sition analysis on AlGaInP quaternary double heterojunction light 2emitting diode s [J ].Chine se Journal of Quantum E lectronics ,2003, 20(5) :5952598. [9] Murakami Tetsurou , K urahashi Takahisa ,Ohyama Shoui 2
chi , et al. Light emitting diode [P ].US Patent :6501101, 2002212231.
[10]Stringfellow G B ,Craford M G. H igh Brightne ss Light E 2
mitting Diodes[M].California :AcademicPre ss ,1997. 56. [11]Chang Shoou 2Jinm , Chang Chih 2Sung. 650nm AlGaInP/
GaInP compre ssively strained multi 2quantum well light e 2mitting diodes[J].J Appl PHys ,1998, 37:6532655. [12]Sze S
M. Physics of Semiconductor Devices[M].2nd E 2
dition ,New Y ork :Wiley,1981. 118. 作者简介:
李树强 (1972-) , 男, 助理研究员, 研究方向为980nm 半导体激光器的研制1
从图3看出, V br 与d 成明显的线性关系, 这与前面的理论分析结果非常吻合。同时, 由V br ～d 关系曲线斜率可以得出非掺杂(Al 0. 6Ga 0. 4) 0. 5In 0. 5P/Ga 0. 5In 0. 5P MQW 结构材料的E B 为5. 4E 5V/cm 。
4 结 论
通过突变结PIN 结构理想模型, 分析了该结构的反向击穿电压特性, 认为该结构的反向击穿电压与I 区厚度成线性关系, 其关系曲线的斜率为I 区材料
的临界反向击穿电场强度E B 。同时, 利用L P 2
光电子・激光
第17卷第4期 2006年4月 J ournal of Optoelect ronics ・L aser Vol. 17No. 4 Apr. 2006
・研究简报・
PIN 结构发光二极管反向击穿特性分析
3
3
李树强1,23, 夏 伟1,2, 马德营1, 张 新2, 徐现刚1,2, 蒋民华1
(1. 山东大学, 山东济南250100; 2. , 摘要:通过利用突变结PIN ) 反向击穿电压与非故意掺杂有源区厚度的线性相关性P (MQW ) 有源区Al GaInP L ED , 。同时获得了Al G aInP
MQW 这些结果可以作为具有PIN 结构的L ED 性能优化的重要
(L ED ) ; 反向击穿电压; 多量子阱(MQW ) ; PIN 结构
:TN312+. 8 文献标识码:A 文章编号:100520086(2006) 0420506203
Analysis on PIN Type L ED ′s R everse B reakdow n Characteristics
L I Shu 2qiang 1,23, XIA Wei 1,2, MA De 2ying 1, ZHAN G Xin 2, XU Xian 2gang 1,2, J IAN G Min 2hua 1
(1. Shandong University ,Ji ′nan 250100, China ; 2. Shandong Huaguang Optoelectronics Co. Ltd. Ji ′nan 250101,China )
Abstract :Thelinear relation between the reverse breakdown voltage and un 2doping active
region ′s thickness of PI N light emitting diode (LED ) was analyzed by using the ideal PI N structure ′s electric field distribution model. LEDs with varied un 2doping multi 2quantum wells (MQWs ) active region thickness were grown with LP 2MOCVD ,and the breakdown voltage was con firmed to be linear with the thickne ss of the un 2doping active region. At the same time ,the critical breakdown electric intensity of Al GaInP MQW structure was obtained. The re sults were very useful during the optimizing process for the PI N LED ′s structure.
K ey w ords :lightemitting diode (LE D ) ; breakdown voltage ; multi 2quantum well (MQW ) ; PI N structure
1 引 言
发光二极管(L ED ) 具有高效率、长寿命、节能和环保等优点, 目前广泛应用于指示灯、数码管、显示
屏、信号灯和固态照明等领域[1～3]。早期的L ED 为GaAsP 、Ga P PN 结, 其效率和发光强度很低。20世纪80年代,Al GaAs L ED 的诞生, 极大地推动了可见光L ED 的发展。20世纪90年代,Al GaInP L ED 和GaN L ED 的配合, 使高亮度L ED 覆盖了可见光的所
有波段。目前,Al GaInP L ED 和GaN L ED 性能接近传统照明要求, 正在引发一场意义深远的照明革命[4～7]。
为提高发光效率,L ED 的结构也从简单的PN 结变为双异质结(D H ) 和多异质结(MD H ) , 此后又出现了多量子阱(MQ W ) [8～10]和应变多量子阱(SMQW ) [11]。这些结构从导电类型上看, 为PIN 结构。由于目前L ED 反向击穿电压通常高于10V , 因此更多的研究集中到L ED 发光效率的提高和正向电
3收稿日期:2005206230 修订日期:2005210228 3 E 2
m ail :sqli @beelink.com
・507・
压的控制, 对反向特性的研究很少。作为半导体器件性能的一个重要指标, 反向击穿电压包含了器件结构的诸多信息, 如掺杂浓度、材料质量、材料厚度和杂质扩散等, 对该性能指标进行研究, 有利于深刻理解L ED 的发光特性。本文通过突变结PIN 理想结构电场分布模型, 分析了L ED 反向击穿电压与掺杂的相关性。
(1) |x n |+|x p |
ε为介电常数;V bi 为内建电热, 其表示式为其中:
V bi =(KT/q ) ln (N d N a /n i 2) 结构内建电场最大值为E m , V bi 又可表示为 V bi =1/2(W d +d ) E m 另外, 由电荷的守恒条件有 x n -d ) |p |
, 。
(2)
I 区因为没有净电荷存在, 电场强度为常数,PIN
(3) (4)
2 PIN L ED 能带结构和反向击穿特性
PIN L ED 具有特定的掺杂分布, 如Al GaInP
L ED 为在n +2GaAs 衬底上先生长n 型Al Ga 限制层, 再生长掺杂的有源层(D H H SMQ W ) , 然后生长p 型+流扩展层。的杂质分布荷电场分布如图1所示[12]
。
r , W d 展宽, 同时|E m ||m E B 时。
假定P 区耗尽区宽度为X p ,N 区耗尽区宽度为
X n , 由图1可知
X p =|x p | X n =x n -d
(5) (6)
通常在L ED 结构中, I 区厚度d 远大于X n 和
X p , 施加的反向电压绝大部分降在I 区内。如果有2
个L ED , 其I 区厚度分别为d 1、d 2, 测量出其反向击穿电压分别为V br 1、V br 2, 则忽略P 、N 区的耗尽区扩展后, 根据图1中的电场分布可得
V br 1+V bi =(1/2) (X n +X p +2d 1) E B V br 2+V bi =(1/2) (X n +X p +2d 2) E B 由式(7) -式(8) 得
V br 2-V br 1=(d 2-d 1) E B
(7) (8) (9)
即V br 与I 区厚度成线性关系, 该曲线斜率为E B 。
3 实验过程及结果分析
利用L P 2MOCVD 设备制作了具有不同有源区厚度的Al Ga InP MQWs L ED 样品, 其基本结构如图2所示。
图1 理想PIN 结构的杂质分布、空间电荷密度、电场强度和能带图
Fig. 1 The doping distribution ,space ch arge density , electric intensity and energy b and of ideal PIN structure
该模型认为杂质分布是突变的, 没有考虑制备过程的杂质扩散, 同时认为有源区为中性半导体材料, 在能带分布中没有表示出异质结带隙差。图1中, x 轴坐标原点为p 2i 结处, 耗尽区宽度W d 可以表示为ε(N a +N d ) V bi /(qN a N d ) +d 2]1/2= W d =[2
图2 PIN Al G a I nP MQ W LE D 结构示意图
Fig. 2 Diagramm atic sketch of PIN Al G a InP MQ W LE D
・508・
光电子
・激光 外延材料是在(100) 偏〈111〉方向15°的n 型
GaAs 衬底上, 利用TMA1、TM Ga 、TM In 做Ⅲ族源, P H 3、As H 3做Ⅴ族源, 在720℃下先后依次生长20对n 型Al 0. 6Ga 0. 4As/AlAs DBR 结构、1. 0μm 厚的n 型(Al 0. 8Ga 0. 2) 0. 5In 0. 5P 下限制层、总厚度为d 的非掺杂(Al 0. 6Ga 0. 4) 0. 5In 0. 5P/Ga 0. 5In 0. 5P MQW 有源区、1. 0μm 厚的p 型(Al 0. 8Ga 0. 2) 0. 5InP 0. 5P 上限制层和8
MOCVD 技术生长了不同有源区厚度的Al GaInP L ED 对上述结论进行了验证, 实验结果与理论分析
非常吻合。直接测量出了Al Ga InP MQW 结构材料的E B , 数值为5. 4E 5V/cm 。
由于Al GaInP MQ W L ED 有源区为(Al 0. 6Ga 0. 4) 0. 5In 0. 5P/Ga 0. 5In 0. 5P 组合, 该临界电场强度是材料组分、质量、厚度、的, 因此可以作为L ED 。:
[1]Light s (LE Ds ) for general illu 2
:Sandia National Laboratorie s ,2002. 2. [2]H ong 2li ,WANGJin ,WANGJing , et al. Develop LE D
white light illuminator[J].Journal of Optoelectronics ・la 2ser (光电子・激光) ,2004, 15(6) :6572659. (in Chinese ) [3] ME NG Ji 2wu ,WANG Y an 2xin ,WANG Jing , et al. Study of
white LEDs by light conversion[J].Journal of Optoelec 2tronics ・laser (光电子・激光) ,2003, 14(6) :5662569. (in Chine se )
[4] K ovac J , Peternai L ,Lengyel O. Advanced light emitting
diode s structure s for optoelectronic applications[J].Thin Solid Films ,2003, 433:22226.
[5] J eff Y Tsao. Solid 2state lighting :lamps ,chip s and materi 2
als for tomorrow [J].IEEE Circuits &Device s ,2004, 20(3) :28237.
[6] K laus Streubel ,Norbert Linder , Palph Wirth , et al. H igh
brightne ss AlGaInP light 2emitting diodes[J].IEEE Journal on Selected T opics in Quantum E lectronics ,2002, 8(2) :3212332.
[7] J eff Y Tsao. Solid 2state lighting :lamps ,chip s and materi 2
als for tomorrow [J].IEEE Circuits &Device s ,2004, 20
μm 的p +2Ga P 穿口层(电流扩展层) 。然后将外延材
料制作成230μm ×230μm 的管芯, 并封装成φ5mm L ED , 利用图示仪测量其V br 。不同有源区厚度样品
的V br 测试结果见表1。利用表1数据制作的V br 关系曲线如图3所示。
表1 a I nP D
T ab. 1 R n voltage of the samples
with varied active layer thickness
Sample
No.
d /A V br /V
135002117
243002715
351003115
459003417
图3 Al G a I nP MQ W LE D 反向击穿
电压与有源区厚度关系曲线
Fig. 3 Correlation curve betw een reverse breakdow n
voltage and the thickness of the active region for Al G a I nP MQ W LE D
(3) :28237.
[8] CHE N G ui 2chu ,FAN G uang 2han ,CHE N Lian 2hui , et al. Op 2
timum Al compo sition analysis on AlGaInP quaternary double heterojunction light 2emitting diode s [J ].Chine se Journal of Quantum E lectronics ,2003, 20(5) :5952598. [9] Murakami Tetsurou , K urahashi Takahisa ,Ohyama Shoui 2
chi , et al. Light emitting diode [P ].US Patent :6501101, 2002212231.
[10]Stringfellow G B ,Craford M G. H igh Brightne ss Light E 2
mitting Diodes[M].California :AcademicPre ss ,1997. 56. [11]Chang Shoou 2Jinm , Chang Chih 2Sung. 650nm AlGaInP/
GaInP compre ssively strained multi 2quantum well light e 2mitting diodes[J].J Appl PHys ,1998, 37:6532655. [12]Sze S
M. Physics of Semiconductor Devices[M].2nd E 2
dition ,New Y ork :Wiley,1981. 118. 作者简介:
李树强 (1972-) , 男, 助理研究员, 研究方向为980nm 半导体激光器的研制1
从图3看出, V br 与d 成明显的线性关系, 这与前面的理论分析结果非常吻合。同时, 由V br ～d 关系曲线斜率可以得出非掺杂(Al 0. 6Ga 0. 4) 0. 5In 0. 5P/Ga 0. 5In 0. 5P MQW 结构材料的E B 为5. 4E 5V/cm 。
4 结 论
通过突变结PIN 结构理想模型, 分析了该结构的反向击穿电压特性, 认为该结构的反向击穿电压与I 区厚度成线性关系, 其关系曲线的斜率为I 区材料
的临界反向击穿电场强度E B 。同时, 利用L P 2