LED材料特性及其TEM分析技术-泛铨科技.PDF

LED材料特性及其TEM分析技術 一、發光二極體的發展與沿革 1955年美國無線電公司(Radio Corporation of America)首次發 砷化鎵(GaAs)及其他半導體合金的紅外線放射作用；1962年通用 電氣公司開發出第一種實際應用的可見光發光二極體(Light Emitting Diode, LED) ；1968年HP 有單調的暗紅色指示燈；直到1992年由Nichia突破技術障礙 ， 出藍光LED ，至此全彩化LED逐得以實現。而LED 期的指示燈、顯示板等；發展至今隨 可見其產品，如：照明 、 光源 、廣告招牌、交通號誌 、手電筒、相機閃光燈、裝飾燈等等。 尤其隨著白光LED的出現，更在照明的舞台上大放異彩。與 明系統相較之下 ，LED提供了體積小 、反應快、壽命長 、不易衰 減 、可全彩發光(含不可見光) 、設計容易 、低電壓電流 、 低 、熱輻射小、量產容易、環保等優勢 。 LED 是利用電能轉化為光能的方式發光。發光二極體晶粒的組成 材料是半導體材料 ，這些半導體材料會預先摻雜三價或五價雜質形 成P型或N型半導體架構 。參雜三價雜質的材料會含有大量 電的 電洞 ，稱為P 型半導體；另一種因參雜五價雜質故含有大量帶負 的電子 ，稱為N 型半導體。然而P 型與N 型半導體相接 的 作P-N 接面 ，如圖1示意圖顯示，在發光二極體的正負極 電壓 ，當電流通過時P-N接面時 ， Confidential, Do Not Copy Without Permission 會使得電子與電洞結合，結合的能量便以光的形式發 出，依使用材料的能階高低決定發光的波長 ，因此就會發出 不同顏色的光[註1] 。 圖1. LED發光的主要原理 ：當PN接面加入順向偏壓時 ，P型區的多數載子電洞 會往N型區移動 ，而N型區的多數載子電子則往P型區移動 ，最後電子與電洞 會在P-N接面之空乏區結合，此時因電子由傳導帶移轉至價電帶後喪失能階 ， 同時以光子的模式釋放出能量而產生光。 二、LED材料的選擇 大多數LED都屬於三五族半導體材料(三族有Al 、Ga 、In ； 五族有As 、N 、P等) ，依照所需不同顏色光波段 ，搭配成二 元至四元材料 。近年來因藍光LED在顯示器及照明上可以達 到高效率高亮度以及全彩化(搭配螢光粉可成白光) ，所以目 前LED產業有 部分很重要的研發，多落在藍光LED Confidential, Do Not Copy Without Permission 上 ，而可發藍光的的材料主要的選擇 ，即是我們通見的氮 化鎵(GaN)材料 。本文中亦以GaN為例 ，簡介其製程以及所需 之分析方式。 GaN藍光LED目前大宗的製程方法 ，是以磊晶方式(例如：有 機金屬化學氣相沉積 ，metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)為主流 。其作法是在基板上(例如：藍寶石基板， sapphire)上成長P型及N型半導體，而P-N接面處會成長 多層 結構的量子井(Multiple Quantum Well, MQW) ，其功能係在空 間上可以限制電子電洞的行為，使之不易脫離量子井的拘束 ，進而有較高機率結合並相碰致光，提高LED發光效率 ，圖2 為 般量子井拘束電子電洞示意圖 。 圖2 量子井的空間及限制電子電洞示意圖 般而言在LED元件 ，量子井的材料設計上 ，亦為GaN 參雜不同元素製作成多層雙異質結構 。因其材料的選擇以及結 構 ，皆會直接影響到 Confidential, Do Not Copy Without Permission 其致光的品質和效率 ，因此目前大量的研發比重也落在這 個部分 。在製程上我們關心的要點有二 ：第一，準確地參 雜適當比例的元素 ，以及磊晶堆疊出理想的層厚 ，將直接反 應出致光的性質 ；第二，GaN材料磊晶成長至基板上時 ，由 兩種材料不同的晶格常數以及熱膨脹係數 ，會產生失配的現 象，並導入不同的缺陷(刃差排、螺旋差排)在GaN磊晶層 。 差排活動從基板往上生長 ，即會破壞整個磊晶層以及量子井 結構 ，嚴重影響發光效率 。圖