如何利用GaN氮化镓半导体提高白光LED的发光效率

前言 ：GaN（氮化镓）系蓝紫色发光组件可应用于新世代DVD，因此备受相关业者高度期待，此外利用LED高辉度、省能源的发光特性，蓝紫色发光组件未来还可取代传统的白炙灯、荧光灯，成为白光照明灯源的主流。氮化镓的格子缺陷很多却能够产生高辉度，主要原因是藉由奈米技术控制组件结构，使得组件的发光效率得以提高，进而获得高辉度。因此本文要深入探讨氮化镓发光的奥秘，与提高发光效率的方法。

白色发光二极管

利用GaN（氮化镓）系半导体的白色发光二极管，做为新世代固态照明灯源是历经无数的转折，十年前包含产官学研界几乎未曾将半导体白色发光二极管纳入考量，虽然有很多研究人员非常关心蓝光LED的发展，却都无视白光LED的应用潜能。

97年利用蓝光LED激发黄色荧光体（YAG；钇、铝、石榴石、铈的混合物），再透过蓝色与黄色荧光体的互补特性，产生二色式拟似白光的LED正式进入量产，加上行动电话的应用促成白光LED全面性的普及，使得白光LED成为全球性的研究主流。

由于白光LED不需使用荧光灯常用的玻璃管、惰性气体、水银、变压器、升压器，所以可以大幅节省能源，取代荧光灯与白炙灯除了可节省能源之外，废弃物的减少对地球环保也有莫大的助益。

97年日本通产省根据京都环保会议的省能源对策决议，组成「21世纪光源计划小组」，并委托日亚化学与丰田合成进行技术开发，该计划小组将近紫外LED的外部量子效率（以下简称为取光效率）目标定为40%，当时蓝光LED的取光效率为15%，紫外LED的取光效率祇有7.5%，目前紫外LED的取光效率则已经超过31%，也因此使的高性能白光LED的量产诱因更加扎实，而21世纪光源计划小组对全球白光LED的研究开发在提高取光效率的研发上扮演着更重要的角色。

有关格子缺陷

有关LED的基本动作原理，具体而言是电流顺时钟方向通过半导体p-n（正孔与电子）接合面时，正孔与电子会注入奈米级厚度的活性层（亦称为发光层），进而因辐射再结合过程（process）产生发光现象。

利用混晶（亦称化合物为半导体）InGaN产生高辉度蓝光或是绿光的LED虽然已经进入商品化，可是有关发光机制传统的半导体物性物理学理，却无法具体说明因原因而屡遭质疑。其实不论是LED或是半导体雷射LD等发光组件（device），通常都具有 以上的格子缺陷，格子缺陷会阻碍发光，形成所谓的「发光杀手中心」，最后导致发光效率降低等问题。

以GaN为基础的InGaN/GaN量子井QW型LED，含量109~1010/cm2 左右高密度格子缺陷，按照传统理论，如此高密度格子缺陷照理说不会发光，实际上InGaN/GaN系LED却能作高效率发光，换句话说InGaN系LED具有与以往LED相异的发光机制。 InxGa1-xN是由InN与GaN所构成的三维化合物半导体，GaN层属于近紫外LED活性层，因此适合使用光学评鉴方式研究。如表1所示GaAs、ZnSe等常用的Ⅲ-Ⅴ（三五族）、Ⅱ-Ⅵ（二六族） 化合物半导体与GaN最大差异点，是GaN氮化物半导体的纵光学（LO:Longitudinal Optical；以下简称为LO）与音子（phonon；格子波的量子）的能量（ħ ω =h/2π，h为膜厚plank常数）大于92.5 ，因此电子与LO相互作用的能量（ αe ħ也随着变大，两者互动值往往超过44.2 （表1的 αe 为Frohlich结合常数，ω为音子的振动数），导致被激发的载子（carrier；电子与正孔）会与LO产生强烈的互动，如图1所示被结晶格子捕获的电子变重（称为polaroon状态）形成自我束缚状，最后造成载子祇能在极短距离内移动，而电子则成为自由电子般的漂流。

另一方面正孔也形成polaroon自我束缚状，加上In原子与Ga原子的电气阴性度的差，尤其是In原子周围短距离型电位（potential），有可能产生强大的正孔捕捉。类似上述的电子与正孔的挶限化，会在奈米以下的原子大小范围内产生，这种现象可视为InGaN化合物半导体的固有性质，换句话说注入发光组件活性层的载子，由于上述的捕捉效应被空间性的挶限，到达「发光杀手（killer）中心」的比率则相对的偏低，所以即使InGaN/GaN等化合物半导体具有大量的转位格子缺陷，仍旧可作高效率的发光。

除了以上介绍的模式之外，会发光的理由是因为In特异性质产生下列两种模式： 

1.GaN活性层的In组成不均，使得黏着电位（coherent potential）动摇，造成激发子产生挶限现象。

2.存于InGaN活性层非常微细的In高浓度领域（亦即量子点） 激发子产生挶限现象。

上述其中的任一种模式的激发子挶限现象赋与高效率发光特性，乃是很常识性的想法。不过第1.项模式却无法说明发光与激发频谱所产生的storks shift，以及它的温度依存性发生原因，也就是说1.与2.的模式祇能解释发光现象是挶限激发子所造成的。

降低格子缺陷提高效率

是具备InGaN/GaN系量子井结构之LED发光波长与外部量子效率（亦即取光效率）的变化特性，图中的r、£、◆符号分别是日亚化学与Cree，以及21世纪光源计划小组的正式报告数据。由图可知发光波长愈短活性层的In含有量就有愈少的倾向，此时应该是外部量子效率的最大值，它的波长依推测约在400nm左右。

2001年1月21世纪光源计划小组达成31%外部量子效率（发光波长为399～400nm，动作条件：3.4V，200mA），它是目前全球最高的外部取光效率。接着要介绍有关如何完成当初设定的发光波长400nm，外部量子效率40%目标的高效率LED发光结构。如上所述电子与正孔因固有挶限效应被结晶格子捕获，在此状态下的载子（carrier）若欲发挥最大的挶限效应，势必彻底减少格子缺陷密度，同时还需控制In组成的摇晃与歪曲，也就是说极力控制发光process，并藉由电子与正孔的再结合过程，才是根本提达成LED高效率发光的根本方法。

基于发光机制的考量，21世纪光源计划小组试作图3所示之高功率近紫外LED，具体而言它是在已加工的蓝宝石（sapphire）基板，利用LEPS法（Lateral Epitaxy on a Patterned sapphire Substrate）使活性层的格子缺陷密度降低至108/cm2 左右，之后再用双稳态芯片（flip chip）方式固定于Si mount基板，在382nm波长，20mA时，外部量子效率为24%；400nm波长，20mA时外部量子效率为31%，如果使用散热器（heat sink）时，1mm平方的芯片可承载400mA的电流，同时还可以获140mW的发光功率。

单芯片的优点

为获得完美高演色性 （Ra≧85；Ra为平均演色评鉴数），基本上白光LED可分为如表2所示的单芯片型（single chip）与多芯片型（multi chip）两种方法。

一种是同时点亮红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）LED产生白光；另一种是利用蓝光或是紫外光LED作为激发光源，激发荧光体获得白光。除此之外，单芯片型最新技术动向是改变活性层的性质，利用单纯的半导体产生RGB三色光，进而获得白光效果。

多芯片型方式碍于各颜色LED的驱动电压、发光功率、配光特性的差异，以及温度特性、组件寿命的相违，因此距离实用化还存有许多问题有待解决。单芯片型因为组件种类单纯，因此具有驱动电路设计容易等优点。有关近紫外LED激发RGB三色荧光体，具体方法是利用RGB三色荧光体的波长与近紫外差异很小的特性，获得高效率的发光。图3（b）的flip chip结构上均匀涂布RGB三色荧光体，便可变成白光LED，此外不同种类荧光体的组合，可产生各种颜色的光线，所以近紫外LED可广泛应用于照明与显示领域。

组件的配列

由于单体LED的光束很微弱，照明用途必需将复数个LED作系统最佳化的配列。图4是日亚BY白光LED、21世纪光源计划小组的RGB白光LED，以及山口大学OYGB白光LED的室温发光频谱、发光效率、色温、平均演色评鉴数Ra等照明光源必备的光学特性比较。

由日亚的BY白光LED与山口大学的OYGB白光LED，20mA发光频谱可知，红色成份很弱因此无法获得高演色Ra值。山口大学的OYGB白光LED的O表示橘色（orangr），Y表示黄色（yellow），G表示绿色（green），B表示蓝色（blue），如此的设计主要目的是要补强OY荧光体宽广发光领域的红色成份，之后再与GB混色获得白光，荧光体最佳激发波长为400nm，即使激发波长在370～410nm之间变动，仍然可维持一定程度的发光强度，此外色温会随着OYGB的混合比率，从3000～6500K涵盖极广的范围，同时还可以得到Ra大于93的高演色性，这些测试结果显示OYGB白光LED具备良好的光学特性。图5的xy色度图是表示发光色对注入电流依存特性。由图可知顺向电流从0.5mA至50mA变化时，日亚的色度变化是三种LED之中最大，大约是21世纪光源计划小组的二倍左右。该色度变化最大特征是随着注入电流的增加，从黑体轨迹（实线曲线）偏离所显示的偏差亦随着增大，且色温变化高达3000K，造成这种现象主要是激发光本身形成白光成份所造成的。此外偏差在未被视为有色彩光的白光领域内也有变化，不过由于随着注入电流的增加，偏差亦随着增大等现象观之，似乎不容易获得发光色很安定的白光。

有关21世纪光源计划小组的白光LED色度变化，由于它的色度变化是沿着等偏差线变化，因此一般认为可藉由RGB荧光体的混合比抑制偏差的变化量。山口大学的白光LED色度变化，随着注入电流的增加，色度变化与白光偏差都很小，因此可以获得发光色很安定的白光。最后是有关发光效率，日亚的BY白光LED发光效率是三者中最高，注入电流的的依存性也是最好的。

结语

目前已经商品化的BY白光LED是利用补色关系的拟似白光，因此无法获得高演色性（Ra＞85），高电流时会产生色度偏差、温度特性恶化等问题，未来作为照明用白光灯源时必须加以解决才可。由于照明用LED必需是高演色性、均一照度的白光，基此观点近紫外、紫外LED与多色发光荧光体组合，形成类似荧光灯发光特性的白光光源，将成为未来照明用LED的主流。
来源；国际led网