研究動機

InGaN / GaN 多量子井（MQW）發光二極體具有不同的 InGaN 量子井厚度的製造和特性。研究發光效率與電流密度揭示了各種不 同的效率遽降的行為。結果發現其可能是因增加量子井厚度的量子 井結構。另一方面，相對內部量子效率（IQE）的測量表明，更薄 的量子井結果造成更高的IQE 由於更大的電子和電洞分佈函數的空 間重疊。

InGaN / GaN 基底的高亮度發光二極體（LED）[11~14]，因為它們 應用在標誌，背光和一般照明。許多努力已經改善了材料品質的光 萃取效率和金屬半導體歐姆接觸。此外，InGaN/GaN 發光二極體的 發光效率已在過去幾年中改善。隨著 LED 技術越來越成熟，在於發 光二極體發出的光通量於高電流密度下，一個眾所周知的基本問題 必須加以克服，即效率 “遽降(droop)”，在此研究 InGaN/GaN 基底 藍光 LED 的各種量子井厚度對發光效率的影響。

發光二極體其效率下降所造成的非輻射載子損失的機制，在低 電流時較小，但在高注入電流時，輻射復合遽降其物理起源仍然有 爭議，有幾個不同的機制，如載子在主動區的漏電流[15~17]、Auger 效應[18]、接面高電流之熱效應[19]、和載子跳脫 localized state 到其他不發光的較高能階[20，21]。不過，目前尚不清楚高電流導 致效率 droop 的原因，在這研究中，我們討論 EL 在不同溫度下 (80K~300K)變電流的內部量子效率，以及 PL 之不同激發功率在低溫 (10K)與室溫(300K)下，我們能夠獲得 IQE 的值，再配合 APSYS 模擬，

找影響效率的機制。

第二章、 發光效率及類別介紹

在本章中，我們定義，內部量子效率（IQE），光萃取效率（LEE），

和外部量子效率（EQE）。

2.1 內部量子效率 -- Internal quantum efficiency (IQE)

理想的 LED 之主動區一個電子注入時發出一個光子，其效率為 100%，但實際上一定會有損耗，因此，內部量子效率的定義為：

P_int是主動區光子發光的光功率，I 是注入電流。

2.2 光萃取效率 Light extraction efficiency (LEE) 及外部量子效率 External Quantum Efficiency (EQE)

在一個理想的發光二極體，所有發光的光子全數排放到自由空 間。然而，在一個真正的發光二極體，並非所有的光子會全數排放 到自由空間。有些可能永遠不會發散到自由空間。這是由於幾個可 能的損失的機制。例如，輕微可吸收光的封裝材料，及光子內反射 被困在內部的現象，皆降低了發光的能力。

萃取效率可能是一個嚴重限制高性能發光二極體的重要因素。

一般要提高萃取效率超過 50 ％而不訴諸高精密和昂貴的設備是相

主動區內每秒發光之光子數目

每秒注入 LED 之電子數目

I / e

h / P

ν

= =

η

當困難的。根據萃取效率的定義為：

第三章、 樣品及實驗器材介紹

3.1 樣品的結構和製作流程簡介

本研究樣品是在藍寶石基底的上方，用金屬有機化學氣相沉積

（MOCVD）成核層成長於 20nm 厚的 GaN 層，隨後再成長 4 微米 厚的n 型 GaN 緩衝層。在緩衝層的上方成長十對 InGaN/GaN 多量 子井主動層InGaN 有三種厚度，分別 1.5nm、2.0nm 及 2.5nm，其 改變不同的量子井厚度瑜不同的成長時間，而障壁層GaN 厚度是固 定在12nm。之上再成長薄的（10 nm）鎂摻雜的 p 型 AlGaInN，之 後成長在多量子井上方的p 型的 AlGaN / GaN（10nm/2 nm）作為 電子阻擋層 Electron-Blocking Layer(EBL)。最後，鎂摻雜的 p 型 GaN 熔覆層（120nm）在最上層，其摻雜大量鎂以形成歐姆接觸。

LED 芯片為（350 * 350 平方微米），上方利用標準 LED 製程製作 透明電極層。接線點電極層分別用鎳/金和鈦/鋁/金之金屬化摻雜用 電子束蒸鍍提供 p 型和 n 型接點之歐姆接觸。製造流程簡圖如圖 3.1，詳細 LED 樣品結構圖如圖 3.2。這項研究的目的在理解效率下 降與量子井的厚度之間的關係。

此量測的樣品為未封裝之 LED 裸晶，使量測的值接近內部量子 效率的值。

3.2 光致發光 Photoluminescence (PL)

光致發光光譜已被用來檢測材料的光學特性，因為它無界面 (n-GaN，p-GaN)損耗的特點。PL 發出的光線是由光學激發，激發 之光源為雷射，其波長略大於LED 發光頻率，當量子井吸收雷射的 能量，這將刺激電子及電洞分離至導帶及價帶。然後，當載子在激 發態返回到初始狀態時，載子復合會發光出光子，其能量相當於能 源之間的差異和激發態的初始狀態，因此，我們可以從 PL 光譜觀 察到發光的峰值及能帶間隙。

至於光致發光光譜的光學測量研究材料的特性，首先，當我們 分析一個新的化合物半導體，我們可以利用光致發光測量知道新材 料的能帶間隙。其次，光致發光強度的信號有助於計算材料中輻射 複合的數量。因此，光致發光測量可用於了解材料的品質和復合的 機制。而載子復合過程大致發生在兩方面，分別為輻射複合和非輻 射復合。我們可以認同輻射復合較易在低溫下用光致發光測量，因 為它不會受外加電流而加熱的影響。如果有一些缺陷存在於半導體 能帶間隙中，他們還可能有助於輻射復合進程。因此，我們可以觀 察多個發光的PL 光譜峰值和強度與貢獻於輻射復合相關聯。

我們安裝的 PL 系統示意圖如圖 3.3 ，激發源是一個多模態和

非偏振光氦鎘雷射操作在400 nm 及 60mW 之下、76MHz 的 pulse 打入樣品。經過3 個反射鏡反射的雷射集中的鏡頭，焦距為 5cm，

0.1mm 直徑的發光信號收集鏡頭。光線經過光譜儀（Jobin-Yvon Triax-320）接收發光頻譜及強度。為了防止雷射與 PL 光譜耦合，

我們使用long pass filter 在光入口處。所有樣本量測均放置在封閉 循環低溫恆溫器上，其溫度控制在10K 以及 300K。

3.3 電致發光 Electroluminescence(EL)

因 PL 量測方式與實際使用時為外加電流注入原理不同，故使 用EL 來量測 LED 元件較接近元件實際特性。EL 量測儀器包括電流 源Kiethley 238 ，以及用顯微鏡觀察樣品圖案和電極表面，於電流 源輸入探針接觸調整觀測用，三個軸向的光纖檢測光信號，連接至

（Jobin-Yvon Triax-320）接收發光頻譜及強度。 以及低溫的冷卻 系統，使用液氮冷卻，溫度可控制在80K ~ 300K 範圍。圖 3.4.1 及 3.4.2 顯示低溫電致發光量測系統示意圖。

圖3.1 樣品結構圖

圖3.2 藍光 LED 製造流程簡圖

圖3.3 IQE 量測系統簡圖

圖3.4.1 低溫 EL 量測系統照片

圖3.4.2 低溫 EL 量測系統簡圖

第四章、 實驗部分及 LED 理論模型

至1.6 × 10¹⁸ cm^-3利用方程如下：

α_InGaN是InGaN 的光吸收率，R 是樣品表面的反射率，並 Loss_objective

是傳輸的損耗。

(2) 庫侖屏蔽效應(Coulomb screening effect)：

一些研究小組報告說，內部電場中存在於氮化銦鎵/氮化鎵 量子井結構中，這一內部電場使得量子井的能帶傾斜，並導致 電子和電洞在量子井分佈空間的分離[23]，從而減少波函數重疊 比率，亦被稱為量子局限史托克效應 (Quantum Confined Stark Effect; QCSE)。其發生原因為 LED 在磊晶時，其多量子 井 InGaN/GaN 異質結構中，因晶格常數的不匹配而產生應 力，此應力造成壓電場而使量子井接面產生極化電荷，使得能 帶傾斜因而發光能隙變小，當電流開始注入時，部分在量子井 接面的極化電荷便會被注入的電子遮蔽，使得能帶傾斜情況變 的較為輕微，於是發光的能隙變大，而當電流密度增加時，極 化電荷遮蔽的現象也越顯著，此限像亦與電流增加而光譜藍移 情況有關。

(3) 能帶填充效應(band filling effect)：

半導體的價電帶、導電帶為一近似拋物線的形狀，低能階的能 態密度較低，高能階的能態密度較高，因此當電流注入時，電 子先填較低能階之能態，隨著電流密度的增加，繼續往高的能

階能態填，因而使得能帶平均間隙增加，輻射復合機率因此而 下降，這也是造成光譜藍移的現象。

4.2 EL 量測結果

在 EL 量測前，從 I-V 曲線可發現，二極體在相同的注入電流下，

低溫的順向電壓比常溫高(如圖 4.2.1)，這是因為 p-type 的鎂受體載 子因低溫凍結效應造成電洞的濃度降低，連帶影響其遷移率下降 [24~27]，以電氣特性來看可視為輸入串聯組抗 Rs 升高。因此量子 井厚度愈厚或溫度愈低則 Rs 愈大。

在注入電流為 60mA 為例(如圖 4.2.2)，1.5nm 的量子井厚度之 電場電壓在室溫(300K)下為 3.599V(如下表)，在 80K 下為 5.226V，

相差1.627V。但 2.5nm 的量子井厚度之電場電壓在室溫(300K)下為 3.792V，在 80K 下為 5.965V，相差 2.173V。由此可得知量子井厚 度愈厚Rs 亦愈大。

在 defect 密度相同下，較薄的量子井注入載子時其非輻射復合

中心數量較少，所以較容易飽和，因而其最大發光強度發生在較高 的溫度，此現象與效率遽降的時機有關(圖 4.2.3)。不同量子井之發 光效率(參考圖 4.2.4 ~ 4.2.6)。在小電流注入下，較寬的量子井在室 溫時的發光效率較差，但是在較低溫時，效率會大於較窄的量子井 ( 圖 4.2.7) ， 其 原 因 在 於 低 溫 時 量 子 井 之 非 輻 射 復 合 中 心 (Non-radiative recombination center)凍結，而較寬的量子井之漏電 流較小，載子也較容易侷限在其中，而增加輻射復合機率。室溫時 較寬的量子井之非輻射復合中心較多，消耗更多的載子因而使發光 效率降低(參考圖 4.2.8 之 3-D 立體效率圖)。

在低溫小電流下量子井內的載子較容易侷限在較低能階的 localized states(如圖 4.2.9)，當溫度開始上升，在 localized states 的載子獲得較多的能量，增加了跳到不發光能階的 defect state 機 率。

在室溫高電流下，其內部電場強度較大，使得能帶傾斜因而量子 井內的載子較容易跳脫出來(如圖 4.2.10)，即為溢電流(overflow current) 因 而 降 低 輻 射 復 合 的 效 率 ， 此 為 效 率 遽 降 (droop) 現 象 [28~30]，從 I-V 曲線來看，降低溫度也會讓電場強度變大，所以當 溫度降低，使效率開始下降的注入的需要電流也愈小(圖 4.2.4 ~

4.2.6)。

在圖 4.2.11 及 4.2.12 中我們看到一個現象，就是在低溫下小電 流時，較厚的量子井有較高的發光效率，但隨著電流增加其衰退程 度較大。在室溫下小電流時反而是較薄的量子井有較高的發光效 率，隨著電流增加，其效率之 droop 現象卻愈早，其原因在下一章 節探討。

4.3 PL 與 EL 效率比較

4.3 PL 與 EL 效率比較