5-1 元件電壓電流測量系統簡介
圖 5-1a 電激發螢光量測系統示意圖
元件的電激發螢光量測系統，如圖 5-1a 所示。使用的數位電源 供應器型號為 Keithley 公司出產的 Modle-238，提供的電流電壓為 連續輸出，與電腦連結後可儀控元件之電壓電流量測。系統的光學顯 微鏡也與電腦連結，可做即時影像擷取，使用物鏡倍率為 20 倍，目 鏡為 10 倍，除了觀察探針是否正確點於元件的電極上，也可利用紫 外光功率偵測器收取樣品電激發的輸出功率，或是經由 100μm 直徑 之光纖將元件之電激發螢光，導入 Jobin Yvon Triax-320 單光儀中，
分析其光譜，單光儀使用的光柵與之前光激發螢光相同條文密度同為
Computer Probe Station
Jobin-Yvon Triax 320 Spectrometer 100 μm
Optical Fiber
Microscope UV power
detector
Keithley 238 CW Current Source
Newport 1835-C Optical Meter
1200 g/mm，入光口狹縫寬度亦為 0.1 mm，解析度可達 1 A，再同樣 以 CCD 收取光譜。
5-2 電激發螢光(Electric-luminescence)光譜之結果與分析
5-2-2 只具下層 DBR 元件之電激發螢光光譜結果與分析
樣品 A：只具下層反射鏡元件之電激發螢光光譜圖，如圖 5-2a 所示。
380 390 400 410 420 430 440 450 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
FWHM=12.2 nm Peak=407.3 nm
Normalized Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
圖 5-2a 樣品 A 之電激發螢光
由測量結果圖可看到元件電激發螢光之波長位於 407.3 nm，半高寬 為 12.2 nm，這與樣品之光激發螢光波長 410.5 nm 相比，有約 3 nm 往短波長的藍移(Blue shift)現象，這現象是因為電流注入元件後，
產生了屏蔽 (Screening effect)效應，屏蔽了量子井中的壓電場 (Piezo- electric field)， 所 以 減 少 了 量 子 井 能 隙 的 彎 曲 程 度
(Bending)，造成了電子躍遷能階(Energy level)的稍微增加，發光 波長才會往短波長藍移。
將樣品 A 做變電流的電激發螢光測量，其結果如圖 5-2b 所示。
當電流密度增加，可看到元件的電激發螢光光譜之波峰，也往長波長 漂移，也就是紅移(Red shift)的現象，將圖 5-2b 中不同電流下所測 量到的光譜之波峰與灌入元件的電流密度做關係圖，可以得到圖 5-2c 的結果。利用線性趨近可得到每平方公分下一萬安培的電流密度(10 KA/cm2)增加量，造成波長的紅移(Red shift)量為 4.78 nm
圖 5-2b 變電流激發螢光圖
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Current Density (A/cm2)
Measured datas Linear fitting
圖 5-2c 為電流密度與電激發螢光波長變化的圖形 5-2-2 面射型發光元件之電激發螢光光譜結果與分析
當上層介電質 DBR 鍍好之後的樣品 B，已經是完整的面射型發光 元件，其電激發螢光光譜圖，如圖 5-2d 所示。
380 390 400 410 420 430 440 450 0.0
Normalized Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
圖 5-2d 樣品 B 之電激發螢光
其波長位於 410.6 nm 處，半高寬為 7.4 nm，可以發現光譜有變窄的
效應，至於電激發螢光的波長由之前的 407.3 nm 變為 410.6 nm，其 原因為樣品的共振腔設計為 3λ，所以允許存在的光模態造成了出光 的波長限制在 410 nm，在此結果之下元件的實驗品質因子 Q 值為 55.5。此結果比起理論估計值要來的小，理論上在上層 DBR 有 80％
的反射率，下層 DBR 有 90％的反射率的共振腔中，經計算得元件的 Q 值為 114.6，理論上應該獲得 409.5/114.6~3.6 nm 的半高寬光譜，
然而實驗所獲得的半高寬明顯地寬了許多。
其原因可能有兩個，第一個影響是元件的 P 型氮化鎵層由於鎂摻 雜，造成表面的不平整，表面的粗糙造成了光的散射。第二個原因為 在元件的出光口處，為了電流的均勻擴散，所以鍍上 50/50 A 的 Ni/Au 透明電極造成了上層反射率下降。若是我們以實驗得到的結果半高寬 為 7.4 nm 下，回推上層反射率，可計算上層的反射率約為 65％，這 理論計算結果可推論為：透明電極影響了實驗中上層介電質反射鏡的 80％反射率降低為 65％左右。
樣品 B：面射型發光元件的變電流下電激發螢光光譜圖，如下圖 5-2e 所示。當電流密度增加，元件的電激發螢光光譜之波峰紅移現 象並不明顯，將圖 5-2e 中不同電流下所測量到的光譜之波峰與灌入 元件的電流密度做關係圖，可以得到圖 5-2f 的結果。利用線性趨近 方式，可得到隨著每平方公分中一萬安培電流密度(10 KA/cm2)的增
加量，波長的紅移變化量只有 1.24 nm。
380 390 400 410 420 430 440
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 400
Peak wavelength (nm)
Current Density (A/cm2)
圖 5-2f 電流密度與電激發螢光波長圖
由上面的結果可以得知，在元件外部量測到的自發性輻射波長位 置受共振腔的 Fabry-Perot Dip 影響，所以隨電流密度的增加，其波 長位置變化量相較於樣品 A：只具有下層反射鏡之元件的紅移變化量
4.78 nm，約只有四分之一倍，顯示出了面射型發光元件被成功製造 出來。
5-3 元件電壓電流測量系統與結果分析
將第四章中所成長的 LED 樣品，經過標準的 LED 製程，如下圖 5-3a 所示，製作成元件之後，在電壓電流系統中量測的結果如圖 5-3b 所示，元件的啟始電壓(Turn on Voltage-VF)約為 2.75V，量測結果 元件的電阻值約為 20Ω。
0 5 10 15 20 25 30
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
VF=2.75 V
R~20 Ohmic
Voltage (V)
Current (mA)
圖 5-3b LED 元件電流與電壓關係圖
在室溫之下以連續電流源來測量樣品 B：完整的面射型發光元件 之電流密度與電壓的關係圖，如下圖 5-3c 所示，元件的啟始電壓約 為 3.8V，量測結果計算可得元件的電阻值約為 650Ω，與一般 LED 相 比，可以看到較高的起始電壓與串聯電阻值，電阻值如此高的主要原 因為元件電流注入的面積為出光口，其面積約為 300μm2大小，與 LED 元件面積為 300*300μm2相比，高電阻是可以預期的結果。
-3 0 3 6 9 12
0 200 400 600 800
VF∼3.8 V
R~650 Ω
Current Density (A/cm2 )
Voltage (V)
圖 5-3c 面射型發光元件之電流密度與電壓關係圖
圖 5-3d 為樣品 A：只具有下層 AlN/GaN DBR 元件，在順偏電壓 為下之照片，可以發現在元件出光孔處的光並不均勻，雖然元件設計 時即有考慮到為了電流能均勻擴散，所以在元件的出光口鍍有 Ni/Au 50/50 A 的透明電極，但是其電流傳導的效果依然不夠良好，以致於 有局部電流注入的現象，導致了元件出光的不均勻。
圖 5-3d 樣品 A 在電壓為順偏下之照片
同樣的圖 5-3e 為樣品 B：完整的面射型發光元件，其出光孔的 均勻度也是不佳。
圖 5-3e 樣品 B 在電壓為順偏下之照片
電流擴散的問題目前有幾種解決的方式已經有團隊提出，在元件中成 長穿透式接面層(Tunnel junction)33、 34，其磊晶結構為先成長一層高 摻雜濃度的 p++層 GaN，皆下來在其上成長高摻雜濃度的 n++層 GaN，最 後成長 N 型的 GaN 層。藉由這個結構不但可以使得元件的正負電極均 為 N 型歐姆電阻，降低元件的串聯電阻值，又可以避開 P 型氮化鎵層 電流擴散能力欠佳的問題，以達成電流均勻擴散的目的。
5-4 元件輸出功率之量測
樣品 A 與樣品 B 之輸出功率與電流密度之量測結果，如下圖 5-4a 所示。
0 200 400 600 800
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Relative power (nW)
Currnet Density (A/cm2)
Complete Without T-DBR
圖 5-4a 元件輸出功率與電流密度之關係圖
由結果可看出樣品 B：面射型發光元件所量測到的輸出功率，約為樣
品 A：只具有下層反射鏡元件的兩倍，以共振腔輸出功率增強之理論 計算可以獲得，在理論上樣品 B 的輸出功率比起一般 LED 的輸出功率 增強了 7.3 倍，而樣品 A 的輸出功率比起一般 LED 的輸出功率增強了 2.3 倍，所以理論上樣品 B 的輸出功率比樣品 A 增強了約 3 倍，然而 這結果是以樣品 B 之上下反射率各為 80％、90％進行計算的結果，
之前樣品 B 電激發光譜量測結果中，知道共振腔的品質並沒有理論預 估來的好，所以實驗上獲得兩倍增強的結果是可以解釋的。
最後一章-結論與展望，將針對本實驗所獲得的結果作一個條列 式的整理與討論，並提出在氮化鎵面射型發光元件的製作上，還依然 有些存在的議題需要克服，才能有機會達到氮化鎵垂直共振腔面射型 藍光雷射的誕生。