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從磊晶與製程下手 UV LED追求更高發光效率

2005/4  顏璽軒/葉文勇/黃勝邦/黃國瑞
白光LED主要研究方向,除了日亞化學所開發出以藍光LED激發黃色螢光粉後混光形成白光的技術,以及利用多色晶粒混光的方式之外,以紫外光(UV)LED激發R.G.B.三色螢光粉也受到研究單位的重視...
白光LED主要研究方向,除了日亞化學所開發出以藍光LED激發黃色螢光粉後混光形成白光的技術,以及利用多色晶粒混光的方式之外,以紫外光(UV)LED激發R.G.B.三色螢光粉也受到研究單位的重視。  

UV LED激發螢光由於可以藉由調整R.G.B.螢光粉比例等方式調整白光顏色與色溫,且當注入電流增加時,發光頻譜也不會有太大改變。色度穩定、光譜範圍廣與演色性佳等特色讓UV LED應用於白光照明用途時佔有很大的優勢。除了白光照明之外,UV LED更可應用在生化檢測、高密度光儲存以及無線傳輸等用途,故UV LED可以說是一個具有高發展潛力與商業利益的產品。  

UV LED與藍光LED磊晶與製程類似  

目前發表波長介於350nm到400nm間的UV LED多是成長於藍寶石基板之上且具有AlGaN/ GaN量子井結構。由於藍寶石基板本身並不導電,故p型與n型電極位於晶片的同一面。一般UV LED磊晶順序為首先在藍寶石基板上成長材料為GaN的無摻雜緩衝層與n型電極層,之後成長n型AlGaN載子侷限層,再於其上成長AlGaN/GaN所組成的量子井結構,最後是p型AlGaN載子侷限層與GaN電極層。而製程步驟為,將晶片先以黃光微影技術定義出n型電極區域,再以乾蝕刻方式將n型電極層區域裸露出,再以SiOx作為披覆層後,分別蒸鍍上p型透明電極層與p型和n型電極層,在分別經過熱退火處理後鍍上打線層,然後經過拋光與切割後便完成晶片製程。  

由上面的描述可以發現,UV LED與一般藍光LED間無論是磊晶或製程順序並無太大的差異,但為了追求UV LED更高的發光效率,目前在磊晶與製程兩方面均有許多新的研究方向與成果發表,以下分別將兩者做一概述。  

UV LED磊晶技術  

過去應用於白光照明的UV LED磊晶結構中,量子井結構主要是由GaN/AlGaN或AlGaN/ AlGaN及InGaN/AlGaN構成,以半導體材料本身特性來看,藉由改變Al的含量,能隙寬度可由GaN的3.4eV增加到AlN的6.2eV,但是當能隙寬度隨著Al含量增加而增加的同時,更多的缺陷與非發光機制會造成複合載子的損失且增加元件內部的熱量,另外Al含量增加會造成另外一項影響,便是會使得p型AlGaN阻值增加並使得電極製作更加困難,一旦電極與半導體材料間接觸電阻值上升,不但會直接減低二極體的光電轉換效率,間接產生多餘的熱更會造成元件壽命的減短。  

目前有研究(1)指出,利用AlGaInN取代AlGaN作為載子侷限層與電障層,由於經由AFM量測發現到AlGaInN本身表面較為平整,加上InGaN/AlGaInN間是藉由能帶到能帶的再結合作為主要發光機制,而非InGaN/GaN量子井是以侷限狀態產生再結合,故較不受電流影響,因此使用AlGaInN作為電障層材料可以得到較高的效率與功率。  

此外基板對晶片中缺陷密度具有舉足輕重的影響,直接成長於藍寶石基板之上的磊晶結構中,缺陷密度約為4×108cm-2左右,而在具有凹凸模型的藍寶石基板上成長,低位錯缺陷的GaN基板可使晶格結構中的缺陷密度下降為直接在藍寶石基板上成長的四分之一,成長於凹凸模型藍寶石基板低位錯缺陷GaN基板之上的LED,其效率提升幅度可達直接成長於藍寶石基板上之LED的2.5倍。  

此外,GE的S.LeBoeuf提出在成長n型載子侷限層中增加Si摻雜的超高濃度摻雜層,藉由此一超高密度摻雜層可以增加電流擴散效果、降低啟動電流與降低晶格缺陷產生的機率等效果。  

UV LED面臨散熱與電流不均等問題  

由前面的說明可知,許多應用於藍光LED的製程技術也同樣適用於UV LED,包含表面粗糙化與覆晶製程,甚至改變晶粒幾何結構等提昇藍光LED外部量子效益的方式也同樣可應用於UV LED。利用覆晶封裝技術並搭配Ag作為p型GaN電極結構中之反射層已可提昇外部量子效率達原本的1.7倍,先前發表過利用此技術以InGaN作為量子井結構的UV LED在發光波長為382nm時,達到發光功率15.6mw與發光效率24%的水準。  

由於UV LED與藍光LED兩者間如此相似,因此UV LED也面臨到許多與藍光LED相同的難題,包括了散熱不易、電流分佈不均等問題,但其中最主要的便是低接觸電阻與高穿透率的p型電極材料選擇與製作技術,並且由於發光波長的減短,此問題的困難度與造成發光效率減低的程度在UV LED上更大。  

傳統藍光LED所用的透明電極材料主要是Ni或Ni/Au,藉由電子槍蒸鍍將Ni或Ni/Au薄膜蒸鍍於晶片的表面,再於氧氣或空氣中加熱退火形成NiOx,NiOx會與p型GaN形成歐姆接觸。S.Y. Kim等人(2)發表在p型GaN表面蒸鍍Ni/Au加以熱退火後,以濺鍍方式於其上成長ITO後再加以熱退火處理,以此方式,接觸電阻值可達2×10-4ohm-cm2,且如圖1所示,在對應470nm波長時穿透率可達90.3%;此外S.M.Pan(3)亦發表利用NiO與ITO搭配在470nm時透光率可達98%的研究成果。過去透明導電層ITO無法直接與p型GaN形成歐姆接觸,S.J.Chang等人(4)藉由在晶片表面成長n型超晶格結構,以增加表面載子濃度的方式來幫助晶片與ITO形成歐姆接觸,接觸電阻為1.6×10-3ohm-cm2,且在波長為465nm時,透光率可達93.2%(圖2)。此法目前有廠商小量生產,但由於成本與技術考量,目前藍光LED使用透明電極材料仍以Ni或Ni/Au為主。此外H.W.Jang等(5)以Ru與Ir在p型GaN表面搭配Ni可形成歐姆接觸,接觸電阻值為4×10-5ohm-cm2,且在460nm波長時透光率達85%,高於相同波長時,Ni/Au穿透率約5%。  

然而UV LED與藍光LED雖然製程步驟近乎完全相同,但兩者之間仍有差異,其最大差異便是在對p型透明電極材料的選擇,目前廣泛使用於藍光LED之p型GaN透明電極材料主要為NiOx、Ni/Au與ITO等透明電極層或Pt、Pd等具有高功函數的金屬,而在強調發光效率的LED應用中,透明電極層材料Ni/Au與ITO由於具有低接觸電阻、低阻值與高透光率等優點,故廣為使用。但當LED發光波長改變時,這些透明電極材料的透光率亦隨之改變。由圖3可以看出一般在藍光LED所使用的透明電極材料使用於UV LED時,其吸收率會大幅提高,因而造成穿透率的下降(6)與發光效率的減低,故更適合UV LED使用的透明電極材料之研究已經成為目前UV LED相關製程技術開發的重心。  

目前UV LED之透明電極所使用的材料種類非常多,研究目標多在於試圖尋找出可以代替NiOx且於UV波段具高穿透率的透明歐姆接觸材料。J.O Song(7)發表以Ni與Al摻雜ZnO形成AZO的方式,在空氣中以500℃退火2分鐘處理之後,接觸電阻值可降低到8.46×10-6ohm-cm2,並且在波長400nm時,穿透率可維持在76%以上。J.O.Song另亦以(8)以Ag與Sb摻雜SnO2(Ag/ATO)作為電極材料,在經過530℃於空氣環境下退火1分鐘的條件下,接觸電阻約為8.7×10-5ohm-cm2,但在圖4中可以看出Ag/ATO在UV波段穿透率可達90%以上,相較於Ni/Au電極在相同波段下僅有70%以下的穿透率,有相當大的進步。  

另D.S.Leem(9)以Ag與ZnNi固態溶液作為電極材料,經過430℃在空氣下1分鐘的退火處理後,接觸電阻值約為8.4×10-5ohm-cm2,在340nm時穿透率為67%∼69%,相對Ni/Au在相同波長時穿透率僅有53%以下(圖5)。我們可以發現到目前對於UV LED的p型透明電極研究,多數是將金屬摻雜於另一導電金屬氧化物或另一兩種以上金屬合金之中,或許此種研發方向是受到先前NiOx可與p型GaN形成良好歐姆接觸層的影響,但在UV LED發光波長繼續朝向短波長發展的同時,NiOx系列的透明電極穿透率卻也跟著降低,在波長為340nm時,Ni/Au透明電極穿透率僅剩下50%左右,而相同波段下,穿透率可達70%的UV LED用透明電極材料已經被開發出來,相信更多在UV波段具有高穿透率的透明電極材料將會被發現。一個好的透明電極層除了可以藉由本身優異的透光性提昇元件外部量子效率之外,接觸電阻的降低不但可以增加光電轉換效率,更可因此降低LED內部熱量的產生,進而提昇UV LED的效率與壽命。  

UV LED於2010年應可達到商用目標  

UV LED由於白光照明應用需要而日益受到重視,無論磊晶或製程技術在這幾年內均有顯著進步,以此速度在2010年時應可達到業界估計100 lm/W與每lm成本低於0.01美元的商用目標,加上色度穩定、光譜範圍廣與演色性佳等優勢,相信UV LED在未來照明市場將會佔有一席之地。  

(本文作者顏璽軒為工研院光電所光電半導體及系統應用 技術組封測部副工程師;葉文勇為課長;黃勝邦為經理;黃國瑞為鼎元光電科技股份有限公司研發)  

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