在半導體和積體電路的發展中，發光元件及受光元件具有等量的地位，前者 用來將電信號變成光信號，後者則用來將光信號轉換成電信號。本論文所討論的 發光二極體(Light Emitting Diode, LED)即是透過電子由高電位能的導電帶與在 低電位能的價電帶的電洞結合過程並放出光能，達到將電能轉換成光能的效應。 在2020年時達到200 lm的最終目標，屆時LED將成為最普遍與最廣泛使用的光 源。
發光二極體產業，從1968年全球第一顆可見光發光二極體問世，至今經過三 十幾年的努力，不論在材料或者製程技術上都有很好的進展，使發光二極體具有 輝煌的歷史，更開創未來亮麗的前景。發光二極體是一種p-n接面，它能發射出 紫外線、可見光或紅外線的自發輻射光。可見光的波長約在380 nm~760 nm之範 圍，其中紅光、綠光及黃光發光二極體均逐漸研發成功[1]，並可以得到非常高 的亮度，但是藍光發光二極體的進展卻一直非常緩慢。可以實現藍色發光二極體 的材料有碳化矽(SiC) [2]、硒化鋅(ZnSe) [3]及氮化鎵(GaN) [4]等族，其中又因為 GaN和ZnSe是直接能隙型的材料，因此可以得到高亮度。但ZnSe的材料有可靠 度的問題，此類材料多在約300 ℃的低溫成長，因此用此類材料做成的發光元件 壽命均很短。近年來GaN在藍光發光元件上的應用迅速蓬勃發展，日亞公司在
1993年宣佈成功開發光度1 Cd(燭光)的GaN藍光發光二極體，壽命長達數萬小時 [5]。
為了使得全彩電子資訊普及化得以實現，目前市面上已有各種不同顏色的發 光二極體，包括紅光、綠光、橙光及黃光，但大部分為低功率及低亮度，而光的 三原色中，紅光(650 nm或635 nm)，可以用AlGaAs/GaAs或AlInGaP/GaAs為材料 來研製。目前市面上已有高亮度且高功率的LED及雷射二極體(Laser Diode, LD)，但是藍光及綠光之發光體，欲研製高功率且亮度足以達到顯示器實用程 Corporation of America)成功的研製出藍色金屬絕緣半導體發光二極體(GaN MIS LED) [7]。當時因為P-GaN成長不易，所以還沒有PN接面的發光二極體；因為面 臨兩大問題：一是找不到合適的長晶基板，二則是P型氮化鎵的長晶技術尚未成 熟。後來1981年日本名古屋大學赤琪教授(Professor Akasaki)利用藍寶石(sapphire) 當基板，氮化鋁當緩衝層(buffer layer) [8]，有機金屬(CP2Mg)當作摻雜鎂的來源，
其 成 長 完 全 的 薄 膜 ， 再 經 過 低 能 量 電 子 束 照 射(Low Energy Electron Beam Irradiation, LEEBI) 得到第一顆PN接面的藍光二極體；之後日亞化學的中村修二 在1989年開始進行GaN之研究。先在低溫成長GaN薄膜為緩衝層，並以CP2Mg成 長氮化銦薄膜，再經直接熱處理(Thermal annealing)而不採用赤琪教授所用LEEBI 法。在1991年3月即研製出第一顆PN同質接面的LED [9]。後來成功成長InGaN薄 膜，在1992年12月成長出高功率雙異質接面(Double Heterojunction, DH)GaN LED [4]。接著嘗試成長單量子井(Single Quantum Well, SQW)及(Multi Quantum Well,
MQW)多量子井結構的主動層[10]，並以氧化鋁鎵及氮化鎵做為障壁層，成功的 率(luminous efficiency) 為1 瓦可達45至60 lm(lm)，3 瓦則為120 lm。而在日本，
亦有多家公司所生產之高功率LED可在1 瓦的輸入下達到超過70 lm的光通量，
在低功率的承載下甚至有超過100 lm/W 的出光效率。此外，日前國際專業雜誌 指出，美商Cree公司之XLamp7090的高功率LED樣品可達到1 瓦輸出70 lm之效 率，最新的報導更顯示Cree 已將低功率的LED發光效率推向131 lm/W的驚人數 據，使得LED的進展時程已經超越原先預估的時程有二到四年之多。在國內，高 功率LED 的發展亦不遑多讓，多家LED封裝廠所生產的高功率白光LED皆具有 達到一瓦輸入而有超過40 lm輸出的表現，效率超過60 lm/W 的樣品亦頗多見。
在高功率燈具上，擅長散熱科技的新強光電也在日前發布以其散熱引擎為基礎之 LED燈泡，分別為四瓦輸入可達240 lm、八瓦輸入每瓦可達465 lm，最新的成果
是135 瓦的燈具可輸出超過5000 lm的亮度。上述國內外在LED的進展，雖使得 小功率LED之發光效率漸漸與螢光燈效率相當，但是這樣的表現仍未能使LED可 以走入一般照明，主要的原因是LED在發光效率上仍未臻於理想，所以出現許多 改善發光二極體出光效率之研究。
對於GaN發光元件而言，增加發光二極體的發光效率不外乎增加內部量子效 率(Internal Quantum Efficiency, IQE) 或 增 加 光 萃 取 效 率 (Light Extraction Efficiency, LEE)。內部量子效率與材料本身品質有關，故欲提升內部量子效率須 從磊晶方面下手改良，如以磊晶側向成長法(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELOG) 方式來減少材料中缺陷dislocation的密度 [12]。在光萃取效率方面的提升，包括 改變元件結構之幾何形狀、表面粗糙化來增加光逃脫錐、表面電漿效應或是利用 光子晶體，都可用來達成增強出光的效果。這方面在後文2-4會做進一步詳細說 明。
圖1-1 固態照明演進史
圖1-2 發光二極體的演進史
圖1-3 光的三元色：紅、綠、藍光，可利用紅綠藍三色光源混成白光
圖1-4 室溫下Ⅲ-Ⅴ族氮系半導體之能隙對應晶格常數圖
圖1-5 發光二極體可以廣泛的應用在生活環境中