如何利用GaN氮化鎵半導(dǎo)體提高白光LED的發(fā)光效率

前言 ：GaN（氮化鎵）系藍(lán)紫色發(fā)光組件可應(yīng)用于新世代DVD，因此備受相關(guān)業(yè)者高度期待，此外利用LED高輝度、省能源的發(fā)光特性，藍(lán)紫色發(fā)光組件未來還可取代傳統(tǒng)的白炙燈、熒光燈，成為白光照明燈源的主流。氮化鎵的格子缺陷很多卻能夠產(chǎn)生高輝度，主要原因是藉由奈米技術(shù)控制組件結(jié)構(gòu)，使得組件的發(fā)光效率得以提高，進(jìn)而獲得高輝度。因此本文要深入探討氮化鎵發(fā)光的奧秘，與提高發(fā)光效率的方法。

白色發(fā)光二極管

利用GaN（氮化鎵）系半導(dǎo)體的白色發(fā)光二極管，做為新世代固態(tài)照明燈源是歷經(jīng)無數(shù)的轉(zhuǎn)折，十年前包含產(chǎn)官學(xué)研界幾乎未曾將半導(dǎo)體白色發(fā)光二極管納入考量，雖然有很多研究人員非常關(guān)心藍(lán)光LED的發(fā)展，卻都無視白光LED的應(yīng)用潛能。

97年利用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光體（YAG；釔、鋁、石榴石、鈰的混合物），再透過藍(lán)色與黃色熒光體的互補(bǔ)特性，產(chǎn)生二色式擬似白光的LED正式進(jìn)入量產(chǎn)，加上行動(dòng)電話的應(yīng)用促成白光LED全面性的普及，使得白光LED成為全球性的研究主流。

由于白光LED不需使用熒光燈常用的玻璃管、惰性氣體、水銀、變壓器、升壓器，所以可以大幅節(jié)省能源，取代熒光燈與白炙燈除了可節(jié)省能源之外，廢棄物的減少對(duì)地球環(huán)保也有莫大的助益。

97年日本通產(chǎn)省根據(jù)京都環(huán)保會(huì)議的省能源對(duì)策決議，組成「21世紀(jì)光源計(jì)劃小組」，并委托日亞化學(xué)與豐田合成進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，該計(jì)劃小組將近紫外LED的外部量子效率（以下簡(jiǎn)稱為取光效率）目標(biāo)定為40%，當(dāng)時(shí)藍(lán)光LED的取光效率為15%，紫外LED的取光效率祇有7.5%，目前紫外LED的取光效率則已經(jīng)超過31%，也因此使的高性能白光LED的量產(chǎn)誘因更加扎實(shí)，而21世紀(jì)光源計(jì)劃小組對(duì)全球白光LED的研究開發(fā)在提高取光效率的研發(fā)上扮演著更重要的角色。

有關(guān)格子缺陷

有關(guān)LED的基本動(dòng)作原理，具體而言是電流順時(shí)鐘方向通過半導(dǎo)體p-n（正孔與電子）接合面時(shí)，正孔與電子會(huì)注入奈米級(jí)厚度的活性層（亦稱為發(fā)光層），進(jìn)而因輻射再結(jié)合過程（process）產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

利用混晶（亦稱化合物為半導(dǎo)體）InGaN產(chǎn)生高輝度藍(lán)光或是綠光的LED雖然已經(jīng)進(jìn)入商品化，可是有關(guān)發(fā)光機(jī)制傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物性物理學(xué)理，卻無法具體說明因原因而屢遭質(zhì)疑。其實(shí)不論是LED或是半導(dǎo)體雷射LD等發(fā)光組件（device），通常都具有 以上的格子缺陷，格子缺陷會(huì)阻礙發(fā)光，形成所謂的「發(fā)光殺手中心」，最后導(dǎo)致發(fā)光效率降低等問題。

以GaN為基礎(chǔ)的InGaN/GaN量子井QW型LED，含量109~1010/cm2 左右高密度格子缺陷，按照傳統(tǒng)理論，如此高密度格子缺陷照理說不會(huì)發(fā)光，實(shí)際上InGaN/GaN系LED卻能作高效率發(fā)光，換句話說InGaN系LED具有與以往LED相異的發(fā)光機(jī)制。 InxGa1-xN是由InN與GaN所構(gòu)成的三維化合物半導(dǎo)體，GaN層屬于近紫外LED活性層，因此適合使用光學(xué)評(píng)鑒方式研究。如表1所示GaAs、ZnSe等常用的Ⅲ-Ⅴ（三五族）、Ⅱ-Ⅵ（二六族） 化合物半導(dǎo)體與GaN最大差異點(diǎn)，是GaN氮化物半導(dǎo)體的縱光學(xué)（LO:Longitudinal Optical；以下簡(jiǎn)稱為LO）與音子（phonon；格子波的量子）的能量（? ω =h/2π，h為膜厚plank常數(shù)）大于92.5 ，因此電子與LO相互作用的能量（ αe ?也隨著變大，兩者互動(dòng)值往往超過44.2 （表1的 αe 為Frohlich結(jié)合常數(shù)，ω為音子的振動(dòng)數(shù)），導(dǎo)致被激發(fā)的載子（carrier；電子與正孔）會(huì)與LO產(chǎn)生強(qiáng)烈的互動(dòng)，如圖1所示被結(jié)晶格子捕獲的電子變重（稱為polaroon狀態(tài)）形成自我束縛狀，最后造成載子祇能在極短距離內(nèi)移動(dòng)，而電子則成為自由電子般的漂流。

另一方面正孔也形成polaroon自我束縛狀，加上In原子與Ga原子的電氣陰性度的差，尤其是In原子周圍短距離型電位（potential），有可能產(chǎn)生強(qiáng)大的正孔捕捉。類似上述的電子與正孔的挶限化，會(huì)在奈米以下的原子大小范圍內(nèi)產(chǎn)生，這種現(xiàn)象可視為InGaN化合物半導(dǎo)體的固有性質(zhì)，換句話說注入發(fā)光組件活性層的載子，由于上述的捕捉效應(yīng)被空間性的挶限，到達(dá)「發(fā)光殺手（killer）中心」的比率則相對(duì)的偏低，所以即使InGaN/GaN等化合物半導(dǎo)體具有大量的轉(zhuǎn)位格子缺陷，仍舊可作高效率的發(fā)光。

除了以上介紹的模式之外，會(huì)發(fā)光的理由是因?yàn)镮n特異性質(zhì)產(chǎn)生下列兩種模式： ?

1.GaN活性層的In組成不均，使得黏著電位（coherent potential）動(dòng)搖，造成激發(fā)子產(chǎn)生挶限現(xiàn)象。

2.存于InGaN活性層非常微細(xì)的In高濃度領(lǐng)域（亦即量子點(diǎn)） 激發(fā)子產(chǎn)生挶限現(xiàn)象。

上述其中的任一種模式的激發(fā)子挶限現(xiàn)象賦與高效率發(fā)光特性，乃是很常識(shí)性的想法。不過第1.項(xiàng)模式卻無法說明發(fā)光與激發(fā)頻譜所產(chǎn)生的storks shift，以及它的溫度依存性發(fā)生原因，也就是說1.與2.的模式祇能解釋發(fā)光現(xiàn)象是挶限激發(fā)子所造成的。

降低格子缺陷提高效率

是具備InGaN/GaN系量子井結(jié)構(gòu)之LED發(fā)光波長與外部量子效率（亦即取光效率）的變化特性，圖中的r、￡、◆符號(hào)分別是日亞化學(xué)與Cree，以及21世紀(jì)光源計(jì)劃小組的正式報(bào)告數(shù)據(jù)。由圖可知發(fā)光波長愈短活性層的In含有量就有愈少的傾向，此時(shí)應(yīng)該是外部量子效率的最大值，它的波長依推測(cè)約在400nm左右。

2001年1月21世紀(jì)光源計(jì)劃小組達(dá)成31%外部量子效率（發(fā)光波長為399～400nm，動(dòng)作條件：3.4V，200mA），它是目前全球最高的外部取光效率。接著要介紹有關(guān)如何完成當(dāng)初設(shè)定的發(fā)光波長400nm，外部量子效率40%目標(biāo)的高效率LED發(fā)光結(jié)構(gòu)。如上所述電子與正孔因固有挶限效應(yīng)被結(jié)晶格子捕獲，在此狀態(tài)下的載子（carrier）若欲發(fā)揮最大的挶限效應(yīng)，勢(shì)必徹底減少格子缺陷密度，同時(shí)還需控制In組成的搖晃與歪曲，也就是說極力控制發(fā)光process，并藉由電子與正孔的再結(jié)合過程，才是根本提達(dá)成LED高效率發(fā)光的根本方法。

基于發(fā)光機(jī)制的考量，21世紀(jì)光源計(jì)劃小組試作圖3所示之高功率近紫外LED，具體而言它是在已加工的藍(lán)寶石（sapphire）基板，利用LEPS法（Lateral Epitaxy on a Patterned sapphire Substrate）使活性層的格子缺陷密度降低至108/cm2 左右，之后再用雙穩(wěn)態(tài)芯片（flip chip）方式固定于Si mount基板，在382nm波長，20mA時(shí)，外部量子效率為24%；400nm波長，20mA時(shí)外部量子效率為31%，如果使用散熱器（heat sink）時(shí)，1mm平方的芯片可承載400mA的電流，同時(shí)還可以獲140mW的發(fā)光功率。

單芯片的優(yōu)點(diǎn)

為獲得完美高演色性 （Ra≧85；Ra為平均演色評(píng)鑒數(shù)），基本上白光LED可分為如表2所示的單芯片型（single chip）與多芯片型（multi chip）兩種方法。

一種是同時(shí)點(diǎn)亮紅色（Red）、綠色（Green）、藍(lán)色（Blue）LED產(chǎn)生白光；另一種是利用藍(lán)光或是紫外光LED作為激發(fā)光源，激發(fā)熒光體獲得白光。除此之外，單芯片型最新技術(shù)動(dòng)向是改變活性層的性質(zhì)，利用單純的半導(dǎo)體產(chǎn)生RGB三色光，進(jìn)而獲得白光效果。

多芯片型方式礙于各顏色LED的驅(qū)動(dòng)電壓、發(fā)光功率、配光特性的差異，以及溫度特性、組件壽命的相違，因此距離實(shí)用化還存有許多問題有待解決。單芯片型因?yàn)榻M件種類單純，因此具有驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)容易等優(yōu)點(diǎn)。有關(guān)近紫外LED激發(fā)RGB三色熒光體，具體方法是利用RGB三色熒光體的波長與近紫外差異很小的特性，獲得高效率的發(fā)光。圖3（b）的flip chip結(jié)構(gòu)上均勻涂布RGB三色熒光體，便可變成白光LED，此外不同種類熒光體的組合，可產(chǎn)生各種顏色的光線，所以近紫外LED可廣泛應(yīng)用于照明與顯示領(lǐng)域。

組件的配列

由于單體LED的光束很微弱，照明用途必需將復(fù)數(shù)個(gè)LED作系統(tǒng)最佳化的配列。圖4是日亞BY白光LED、21世紀(jì)光源計(jì)劃小組的RGB白光LED，以及山口大學(xué)OYGB白光LED的室溫發(fā)光頻譜、發(fā)光效率、色溫、平均演色評(píng)鑒數(shù)Ra等照明光源必備的光學(xué)特性比較。

由日亞的BY白光LED與山口大學(xué)的OYGB白光LED，20mA發(fā)光頻譜可知，紅色成份很弱因此無法獲得高演色Ra值。山口大學(xué)的OYGB白光LED的O表示橘色（orangr），Y表示黃色（yellow），G表示綠色（green），B表示藍(lán)色（blue），如此的設(shè)計(jì)主要目的是要補(bǔ)強(qiáng)OY熒光體寬廣發(fā)光領(lǐng)域的紅色成份，之后再與GB混色獲得白光，熒光體最佳激發(fā)波長為400nm，即使激發(fā)波長在370～410nm之間變動(dòng)，仍然可維持一定程度的發(fā)光強(qiáng)度，此外色溫會(huì)隨著OYGB的混合比率，從3000～6500K涵蓋極廣的范圍，同時(shí)還可以得到Ra大于93的高演色性，這些測(cè)試結(jié)果顯示OYGB白光LED具備良好的光學(xué)特性。圖5的xy色度圖是表示發(fā)光色對(duì)注入電流依存特性。由圖可知順向電流從0.5mA至50mA變化時(shí)，日亞的色度變化是三種LED之中最大，大約是21世紀(jì)光源計(jì)劃小組的二倍左右。該色度變化最大特征是隨著注入電流的增加，從黑體軌跡（實(shí)線曲線）偏離所顯示的偏差亦隨著增大，且色溫變化高達(dá)3000K，造成這種現(xiàn)象主要是激發(fā)光本身形成白光成份所造成的。此外偏差在未被視為有色彩光的白光領(lǐng)域內(nèi)也有變化，不過由于隨著注入電流的增加，偏差亦隨著增大等現(xiàn)象觀之，似乎不容易獲得發(fā)光色很安定的白光。

有關(guān)21世紀(jì)光源計(jì)劃小組的白光LED色度變化，由于它的色度變化是沿著等偏差線變化，因此一般認(rèn)為可藉由RGB熒光體的混合比抑制偏差的變化量。山口大學(xué)的白光LED色度變化，隨著注入電流的增加，色度變化與白光偏差都很小，因此可以獲得發(fā)光色很安定的白光。最后是有關(guān)發(fā)光效率，日亞的BY白光LED發(fā)光效率是三者中最高，注入電流的的依存性也是最好的。

結(jié)語

目前已經(jīng)商品化的BY白光LED是利用補(bǔ)色關(guān)系的擬似白光，因此無法獲得高演色性（Ra＞85），高電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生色度偏差、溫度特性惡化等問題，未來作為照明用白光燈源時(shí)必須加以解決才可。由于照明用LED必需是高演色性、均一照度的白光，基此觀點(diǎn)近紫外、紫外LED與多色發(fā)光熒光體組合，形成類似熒光燈發(fā)光特性的白光光源，將成為未來照明用LED的主流。
來源；國際led網(wǎng)