88年大专学生参与国科会专题研究计画结案报告-郭艳光.doc

指導教授：郭艷光 老師 學生姓名：張誌原 就讀學校：彰化師範大學 系級：物理系89級 學號：8522073 溫度對III-V族半導體光學特性之影響 最近幾年來，光電半導體以極快的速度在成長、進步；其中磷化鋁鎵銦與氮化銦鎵相關材料分別是紅黃光及藍綠光部分目前最熱門的材料；磷化鋁鎵銦因為發展較早，因此技術已趨成熟，但是為了獲致更多的發展與應用，因此理論與技術的提升仍是必須的；至於氮化銦鎵，因為還在起步階段，發展更是刻不容緩；因此，我們對數種磷化鋁鎵銦以及氮化銦鎵相關材料進行與溫度相關的光學量測實驗與數值模擬分析，期能由發光與溫度的關係中去了解材料的特性與原理，從而進一步的獲得改善與突破的方法。 前言 在邁入公元2000年的今天，影響我們日常生活最大的光源似乎仍然是一般傳統的燈泡，如日光燈、鎢絲燈泡等等，但是光電半導體體如發光二極體(LED)以及雷射二極體(LD)卻在不知不覺間悄悄的侵入了我們的生活，譬如說一般家用電器的電源顯示常以紅光或黃光的LED來表示，汽機車的煞車燈、尾燈也慢慢變成LED燈組，此外紅色的雷射光筆也被廣泛的運用在演講、教學中，光碟機中更藏著我們看不到的雷射讀寫頭……。因此，隨著成本的降低、更多光源的開發(藍綠光元件)，光電半導體正一步一步的影響我們的生活，甚至有一天可能取代傳統光源，而成為照明的主力。 目前在可見光區域的光電半導體，以磷化鋁鎵銦(AlGaInP)的紅黃光材料以及氮化銦鎵(InGaN)的藍綠光材料為最熱門的材料；其中AlGaInP因為發展較早，因此已經被量產出售；InGaN材料則在日本日亞公司的發展下，由於市場潛力大，因此成了各界傾力研究的對象。 InGaN材料發展較晚的原因來自於材料本身的限制：因為這種材料在長晶時無法找到晶格相匹配的基板；一般而言，被使用在InGaN的基板有三種，分別是MgAl2O4、6H-SiC以及Sapphire，其中Sapphire也就是一般常說的藍寶石；這三種基板與GaN的晶格不匹配程度分別為9.5%、3.5% 以及Sapphire的13%，無論是那一種材料，和GaN的晶格不匹配度都相當的大，因此，我們可以預期利用上述基板所長出來的晶體，其晶格缺陷勢必非常多，這也是以前的學者不看好這種Ⅲ-Ⅴ氮化物的原因。 但是如果先不考慮上述的這種限制，我們可以發現GaN相關的材料其長晶溫度幾乎都在1000℃以上，且在原子排列的過程中加高溫再退火，使它們的結構穩定而堅硬；因為生長溫度高可使原子有充分的能量進行排列，因此它們雖然缺陷密度高但結構卻相當穩定。再加上研發人員的各項努力，如利用epitaxially laterally overgrown GaN (ELOG)的緩衝層來降低缺陷密度、在活性層co-dope以增加發光效率、以及上述的高溫退火技術等，使得Ⅲ-Ⅴ氮化物光電半導體成了目前光電界的新寵兒，也為光電半導體提供了更多應用上的可能性與發展性。 光電半導體光學特性研究 ---- PL量測實驗 光電半導體元件的研究與探討最重要的當然就是它們的光學特性，而光激螢光法Photoluminescence (PL)正是研究發光二極體(LED)與雷射二極體(LD)光學特性的重要方法之一，經由PL光譜的量測，我們可以在最快的時間內獲得sample在導電帶與價電帶之間的特性波長，從而判斷半導體元件的製作品質與成份以及是否有雜質造成能階存在等等。，，LED或LD的製程之後，才發現這一批半導體元件因長不好而無法打出雷射或發光效率不高時，就已經花費了太多的時間和金錢，這是相當可惜的。此外，如同前面所說的，光電半導體最重要的性質當然就是它的光學特性，因此sample的放射頻譜、吸收頻譜等就顯得特別重要，而PL量測正好提供這一方面的應用，這也是許多研究人員倚重它的原因。總而言之，無論是光電半導體的研發或生產上，PL量測都扮演著舉足輕重的角色。 [1] 實驗系統簡介 郭艷光老師的研究計劃中，光電半導體光學特性的研究是極重要的一環，因此我們的實驗室有一套完善的PL量測系統，用以觀測半導體元件的發光特性，其結構如下圖一所示。由圖中我們可以看出整套系統包含了一台氬離子雷射 (Ar+ Laser) (全波段輸出為6W)、單色分光儀 (Monochromator)、電耦和器 (Charge-Coupled Device，CCD)以及由小反射鏡、透鏡組、光纖等所組成的收光系統；而且除了CCD偵測器之外，我們還有另外一套由光電倍增管(Photo-Multiplier Tube，PMT) (Lock-in Amplifier)以及Chopper所組成的偵測系統。 整個PL量測系