第三章 樣品及實驗器材介紹
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：
αInGaN是InGaN 的光吸收率，R 是樣品表面的反射率，並 Lossobjective
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
圖 4.3(a) 顯示 EL 發光效率和隨注入電流變化在室溫和低溫曲 線圖，圖(b)為 PL 發光效率隨機發功率在低溫和室溫曲線圖。我們 可以看到，低注入時光致發光效率高於電致發光效率，其結果表明，
較多的漏電流發生的電致發光載子注入量子井前，可能會被 n 型 GaN 的非輻射復合中心侷限。但在使用光致發光之雷射為激發電子 和電洞對發生在量子井內吸收。進一步增加注入載子密度， PL 和 EL 效率降低是由於載子從量子井溢流，我們發現，在高注入載子濃 度下發光效率下降更迅速，這可以歸因於注入載子濃度增加而順向 電壓場亦增加。結果表明，載子擺脫量子井並溢流至P-GaN。雖然 EL 及 PL 有些許不同，但其效率趨勢是相似的，此實驗也有因低溫
之溫度不同也有些差別(EL 為 80K，PL 為 10K)。
因光致發光之原理與實際使用時不相同，因而用來探討材料的 物理特性，而電致發光較接近實際操作，考慮到整個元件的電氣特 性，因而利用EL 結果來探討 LED 的等效模型。
4.4 APSYS 模擬結果
我們想知道載子濃度分佈在低、室溫下不同的注入電流，因此 我們利用APSYS 模擬樣品結構。圖 4.4.1 及 4.4.2 顯示模擬量子井 的能帶圖及輻射復合分佈圖，可以看到室溫下 n-GaN 到 p-GaN 的 能帶圖較平緩，而低溫時較傾斜，較厚的量子井又比薄的傾斜，結 果都與PL 及 EL 一致。而輻射復合區域分佈在室溫時較均勻，在低 溫時較集中在靠近p-GaN 端，此現象顯示在低溫下，電洞的濃度較 低(圖 4.4.3)，遷移率亦較低，而電子似乎受到影響較小(質量較小)。
因此電洞只要進到量子井內，很快就會與電子復合，因而很少的電 洞會流到靠近n-GaN 端復合。多餘的電子注入到 p-GaN，因而又消 耗更多的電洞，因此，結果驗證了電致發光效率在較低的溫度下降 更迅速。圖 4.4.4 顯示能帶圖在高注入電流下量子井在低和室溫的 示意圖，高注入電流下，使上導帶的n-GaN 端的能階高於上導帶的
p-GaN。這使得電子利於流動到 p-GaN 端的能階。能帶傾斜造成更 多的載子從量子井溢出，使發光效率快速下降在較低的溫度下。
4.5 LED 等效模型
我們使用 Shuji Nakamura 和 Steven P. Denbaars 等[31]提出 的等效電路模型為基礎。模型中定義四個組成部分，分別是:
(1) 漏電流(leakage current)–IR1
(2) 輻射復合電流(Radiative Current)–ID1
(3) 非輻射復合電流(Non-radiative Current)–ID2
(4) 溢電流(overflow current)–IR2
建立等效電路模型如圖 4.5.1。電阻R1代表漏電流的路徑，如晶體 缺陷及樣品表面，此項與材料特性及製造技術有關。兩個二極體，
二極體 D1負責發光之輻射復合電流。二極體 D2負責不發光之非輻 射復合電流，這種復合發生通過非輻射複合中心（NRCs），且並不 會產生光子發光的波長範圍內，RS為D1及D2的串聯電阻。這兩種 類型的復合不僅限於量子井內或其附近的區域。另一個電阻 R2結合 齊納二極體(DZ)代表載子溢電流路徑，而此路徑在較大注入電流下 到達一定的電場偏壓DZ才會導通。這部分為高電流造成效率下降的
原因，即是電子不與電洞復合而直接跳到p-GaN 端。
接下來我們對β定義如下:
(1) 其中rR是輻射復合率和rNR是非輻射復合率。
電致發光效率定義為輻射復合電流除以總注入到LED 電流：
(2) 其中 ID = ID1 + ID2和 IT = ID + IR1 + IR2。
利用歐姆定律和二極體方程式，可得到下列等式：
(3)
(4) V1 = V - IDRS (5) V = VZ + IR2R2 (6)
V 是注入電壓，ID0是二極體的飽和電流，q 為電子電荷量，n 是理 想因素，k 是波茲曼常數，T 是絕對溫度。
將方程（3）、(4）、(5)、(6)聯立消去 V，再將結果代入等式(2)，
可列出下式:
1 R1=5.5K，在低溫(80K)及室溫(300K)的值代入等式(8)可得到圖 4.5.2 的曲線。當溫度上升、或是串聯電阻增加、或是漏電電阻降低，
少，亦與實驗結果相符。
由 I-V 曲線(圖 4.2.1)之 Turn on 電壓及電流的值可計算出：300K 時量子井厚度 1.5nm 之 R1 為 5.464K、2.0nm 之 R1 為 5.510K、
2.5nm 之 R1 為 5.527K，而在 80K 時量子井厚度 1.5nm 之 R1 為 6.989K、2.0nm 之 R1 為 7.137K、2.5nm 之 R1 為 7.736K。再由圖 4.2.4~4.2.6 之各溫度之下，效率之最高值的電流對應 I-V 曲線所得 到的電壓值，為VZ之開始導通電壓，300K 時量子井厚度 1.5nm 之 VZ為 2.9041V 於 5mA 下、2.0nm 之 VZ為3.3086V 於 10mA 下、
2.5nm 之 VZ為3.792V 於 60mA 下，在 160K 時小電流之效率才有 先上升再下降的轉折點，因此在 160K 時量子井厚度 1.5nm 之 VZ 為3.102V 於 0.5mA 下、2.0nm 之 VZ為 3.4323V 於 2mA 下、2.5nm 之 VZ為 3.874V 於 10mA 下。由此可知 VZ因量子井厚度較厚而較 大，但是在常溫及低溫下差別並不大，原因是在較低溫度下，較小 的電流就可達到 VZ的電場強度，使得載子在量子井中開始發生穿透 現象，而造成效率產生droop 的現象。
以量子井厚度 1.5nm 為例，圖 4.5.4 為利用 I-V 圖及發光效率 圖所約略計算出RS約為 30Ω 左右，及 R2 約在 300Ω 左右，代入等 校電路中所繪出的 300K 及 80K 的 I-V 圖，証明此等校電路之假設是
可行的。
0.1 1 10 100
0 20 40 60 80 100
1.5nm10K 2.0nm10K 2.5nm10K 1.5nm300K 2.0nm300K 2.5nm300K
Power (mW)
Relative Internal Quantum Efficiency (%)
圖4.1 PL 量測之輸入功率對 IQE 之關係
0 2 4 6
圖4.2.2 不同量子井厚度之 I-V(80K 與 300K)比較圖
0 2 4 6
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
1.5nm300K 2.0nm300K 2.5nm300K 1.5nm80K 2.0nm80K 2.5nm80K
Voltage (V)
Current (A)
(a)
(b)
(c)
圖4.2.3 不同量子井厚度之 EL 變溫及不同注入電流下(0.1mA、1mA、
20mA)的光強度變化(a)1.5nm (b)2.0nm (c)2.5nm
0.1 1 10 100
0.1 1 10 100
100 Blue LED Well 1.5nm
Relative efficiency Blue LED Well 2.0nm
Curre Blue LED Well 2.5nm
Curren
t (mA) Tem
perature (K)
Relative efficiency
(a) (b) (c)
圖4.2.8 不同量子井厚度之發光效率 3-D 圖 (a)1.5nm (b)2.0nm (c)2.5nm
圖4.2.9 effective localized states 及 defect states 示意圖
Effective localized state
Effective defect state
Activation energy
圖4.2.10 高順向偏壓電場強度下之載子漏電示意圖
圖4.2.11 低溫下(80K)不同量子井厚度之發光效率與偏壓電場強度之示意 圖
Injected carriers
Radiative recombination Carrier
0.08 Temperature (80K)
1.5nm80K
100 Temperature (80K)
1.5nm.80K 2.0nm.80K 2.5nm.80K
Efficiency (%)
Current (mA)
圖4.2.12 室溫下(300K)不同量子井厚度之發光效率與偏壓電場強度之示
Relative Internal Quantum Efficiency (%)
0.1 1 10 100
(a)
(b)
(c)
圖4.4.1 1.5nm 不同的量子井厚度之室溫能帶圖及輻射復合分佈圖 (a)1.5nm (b)2.0nm (c)2.5nm
n-Ga p-Ga
n-GaN p-Ga
n-GaN p-GaN
(a)
(b)
(c)
圖4.4.2 1.5nm 不同的量子井厚度之低溫能帶圖及輻射復合分佈圖 (a)1.5nm (b)2.0nm (c)2.5nm
圖 4.4.3 量子井內載子濃度分佈圖
圖4.4.4 發光效率降低之因素
室溫 or 小電流 低溫 or 高電流
圖4.5.1 LED 之等效模型
圖4.5.3 LED 等效模型之大電流公式模擬結果(假設β=1)
0 0.02 0.04 0.06 0.08
0 1 2 3 4 5 6 7
Voltage (V) Current (mA) I(300K)
I(80K)
圖4.5.4 LED 等效模型模擬 I-V 曲線結果
0 20 40 60 80 100 120
1 2 5 10 20 40 60 80 100
Current (mA)
EL Efficiency (a.u.) idea
Temperature
or R2 or Rs
or Vz
第五章、 電致發光之高電流效率遽降(droop)的原因分析及光譜藍移探討
第五章、 電致發光之高電流效率遽降(droop)的原因分析及光譜藍移探討