第一章 緒論
1.1 發光二極體(LED)簡介
近年來，氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)發光二極體(Light emitting diodes)已 全面應用於LCD顯示器、照明光源及交通燈號…等日常生活用具中，主因於氮化 鎵材料有著相當寬的直接能隙(3.4eV)、搭配銦和鋁的摻雜可使出光波長從紫外光 延伸到黃光，此外相比於其他三五族材料它的熱導性和環境穩定性也較高。而激 發螢光粉(YAG:Ce)所產生的白光也是目前最受矚目的固態照明，可望取代傳統 光源，如水銀燈或鎢絲燈泡。但如要提高其商業用途，勢必要提高其出光和使用 壽命，而目前氮化鎵LED主要問題在於基板和磊晶層的晶格常數相差過大，約為 16%，造成磊晶後氮化鎵薄膜之差排錯位密度(Threading Dislocation Density)高達 108~1010 cm-2 [1]。因此，如何降低錯位差排密度將是當前最重要的課題。現今改 善方式有側向長晶(Epitaxial Laterally Overgrown, ELOG)、圖案化藍寶石基板 (Patterned Sapphire Substrate)、氮化鎵基板、碳化矽(SiC)基板等方式，但由於成 本、技術、時間的考量，目前的主流是圖案化藍寶石基板。圖 1-1 為LED應用於 檯燈照明及 2012 倫敦奧運主會場，倫敦碗。
圖 1-1 LED 檯燈及背光源 LCD
(照片取自網站：http://www.ledinside.com.tw/與 http://london2012stream.com/ Stream)
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1.2 1/f 低頻電雜訊
電雜訊 通常來自於 電子 元件本身和外部接線電路，其中與頻率無關的雜訊 如熱雜訊(Thermal noise)、散彈型雜訊(Shot noise)、爆發型雜訊(Burst Noise)。而 與 頻 率 相 關 的 雜 訊 有 1/f 低 頻 雜 訊 ( 又 稱 Flicker noise) 、 產 生 - 再 復 合 雜 訊 (Generation-Recombination noise, g-r noise)。本論文主要探討為元件在低頻率時所 產生的 1/f雜訊，圖 1-2 所示即為LED在通入電流為 100 μA時的雜訊頻譜。
電雜訊之一的無規則電報訊號(Random Telegraph Signal)，起因可推測是由 於帶電載子在元件內的陷阱(Trap)困住逃脫(Trapping-detrapping)產生的訊號，其 單一陷阱所對應的雜訊頻譜特性是 1/f2，而 1/f低頻雜訊可視為無規則電報訊號 (RTS)的疊加 [2-5]，如圖 1-3 所示，很明顯地有兩段 1/f2區域。其特性依據元件 品質、p-n介面、通入電流有所不同。再透過雜訊經驗公式模型(Noise empirical formula model) [6]計算：
𝑆𝑛(𝑓) = 𝐶0𝑓𝐼𝛽𝛾 (1-1)
Power spectrum density (A2 /Hz)
Frequency (Hz)
100 uA
圖 1-2 LED 在通入電流 100μA 時的雜訊頻譜
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圖 1-3 兩個 trap 的 Flicker noise [5]
1.3 圖案化藍寶石基板 LED
目前使用側向長晶技術(epitaxial lateral overgrowth, ELOG)可有效降低差排 錯位密度至107 cm-2 [8], [9]。但過程複雜且費時，必須使用有機金屬化學氣相沉 積(MOCVD)做二次成長，其中過程樣品易受汙染。現今已被圖案化藍寶石基板 技術(Patterned Sapphire Substrate, PSS)取代，相比於ELOG，PSS只需MOCVD一 次成長，可提高產量，且成長過程不中斷，降低汙染。其中基板圖案有條狀[10]、
孔洞[11]、金字塔型[12]、矩形[13]，不同圖案會影響成長模式、光萃取效率(Light extraction)及差排錯位密度[13], [14]。目前PSS已被驗證可以減少兩個數量級的差 排錯位密度[15]，此外也被驗證可以增加光萃取效率進而提升整體發光效率[16]。
基於上述兩種優勢，圖案化藍寶石基板已是未來發展的潮流。
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1.4 研究動機與目的
氮化鎵系藍光 LED 發展至今已有將近二十年，但由於缺乏晶格匹配的基板，
故在磊晶時造成的缺陷(Defects)一直是一大憂患，並直接反應在出光、壽命、可 靠度上。現今低頻電雜訊已是舉世公認的一種分析材料品質的檢驗方式，最主要 在於能準確地反應半導體內的晶格品質[17-19]。我們打算藉由分析電雜訊和 LED 缺陷的關係，進而探討其可靠度。實驗樣品以目前主流的圖案化藍寶石基板為主，
藉由製程改變基板上的圖案來設計不同品質的 LED，進而探討缺陷和雜訊的關聯 性，我們期望能找出一套可以正確地反應與比較晶格品質的雜訊量測方式。
目前 LED 元件樣品的量測分析方式以 DC 直流量測為主流，如 I-V 曲線或 是包含出光的 L-I-V 曲線。在此我們提供另一種分析技巧，低頻雜訊分析計算，
以雜訊的角度切入，我們期望能以不同的方式來檢測 LED 的品質。而用分析雜 訊的方式來評估 LED 品質，比起傳統測試，它有著更加敏感、非破壞性的優點，
而通入的電流僅數 mA，不至於損害到 LED 本身。
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