解讀GaN on GaN LED破效率與成本“魔咒”

發(fā)光二極體(LED)的發(fā)光效率遠高于傳統光源，耗電量?jì)H約同亮度傳統光源的20%，并具有體積小、壽命長(cháng)、效率高、不含汞等環(huán)保與健康特性，且現今LED商品效率已超出每瓦110流明，LED應用領(lǐng)域更是無(wú)限寬廣。尤其在照明、筆記型電腦/液晶電視背光模組等新興市場(chǎng)全面帶動(dòng)下，2010年全球LED市場(chǎng)規模大幅成長(cháng)達96億美元。另外，隨著(zhù)世界各國節能政策推動(dòng)，LED照明于照明市場(chǎng)的滲透率已突破3%，整體產(chǎn)值達40億美元，預估至2015年全球LED照明市場(chǎng)滲透率將達20%;2020年始，LED照明普及化將逐步實(shí)現，并成為L(cháng)ED產(chǎn)業(yè)的主要應用。

自311核災后，日本消費者為節能，大量采購LED燈泡，顯示LED照明時(shí)代已然到來(lái)。為達到照明節能的目標，各國政府于近年亦陸續頒布相關(guān)政策，如美國“能源之星(Energy Star)”計劃、日本“Eco-Point”制度、南韓“15/30”與“綠色LED照明普及發(fā)展方案”、中國“十一五”、“十二五”等綠能政策，美、日等主要大國更已擬定技術(shù)研發(fā)藍圖，致力于發(fā)展高效能固態(tài)照明技術(shù)，以提升能源使用效率，并大幅降低溫室氣體排放量，促成2020年前已開(kāi)發(fā)國家溫室氣體排放較1990年減少25~40%。

然而，目前商品化的氮化鎵(GaN)半導體光電元件皆以藍寶石(Sapphire)與碳化硅(SiC)基板為主，為能取代現有照明產(chǎn)品，效率及成本是各家廠(chǎng)商戮力的目標，也因此，近年來(lái)GaN on Si挾帶著(zhù)大尺寸低成本優(yōu)勢，逐步挑戰GaN on Sapphire的地位;另一方面，GaN on GaN則挾帶著(zhù)高效能及可大電流操作的優(yōu)勢，逐步嶄露頭角?，F階段美國Sorra更已推出以c-plane GaN基板為主的商品，未來(lái)，結合整體GaN on GaN的優(yōu)點(diǎn)再搭配基板成本的下降，預期2015年將有機會(huì )取代LED照明方案。

受惠于技術(shù)上的突破，氮化鎵已有非常多的晶向面可做為LED基板，包含傳統極性面的c-plane、非極性的m-plane和a-plane，以及半極性的(11-22)、(10-12)、(20-2-1)和(20-21)面等，不管在哪一面上，均已有眾多研究團隊發(fā)表相關(guān)LED效能的論文，但就以整體純熟的技術(shù)、基板大小和成本考量，仍以c-plane的氮化鎵基板最具競爭力，因此以下歸納GaN on c-plane GaN LED的優(yōu)點(diǎn)，分別為高品質(zhì)磊晶薄膜、磊晶薄膜與基板之晶格常數匹配、垂直型元件結構和短的磊晶時(shí)間做論述，下述實(shí)驗所使用的氮化鎵基板之缺陷密度為105~106cm-2。

不受晶格常數不匹配影響　GaN on GaN效率穩定

目前氮化鎵系列的發(fā)光層以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN)材料為主，此種發(fā)光二極體因缺乏與基板晶格匹配的基板，一般皆將此材料磊晶成長(cháng)(Epitaxial Growth)于藍寶石基板上。

然而，由于異質(zhì)磊晶成長(cháng)之薄膜和基板之間因晶格常數彼此不匹配，而造成氮化物薄膜中產(chǎn)生極高的缺陷密度(約109~1010cm-2)，進(jìn)一步導致LED發(fā)光效率下降，圖1(a)~ (c)分別為藍光LED發(fā)光層成長(cháng)于藍寶石基板與氮化鎵基板之AFM量測圖，其量子井厚度分別為2.7奈米、6奈米和15奈米，可發(fā)現到發(fā)光層成長(cháng)在藍寶石基板上存在著(zhù)許多的缺陷，隨著(zhù)發(fā)光層厚度逐漸增厚，洞的尺寸逐漸變大。

圖1 不同藍光發(fā)光二極體之量子井厚度(a) 2.7nm、(b) 6.0nm、(c)15.0nm之成長(cháng)在藍寶石和氮化鎵基板之AFM圖

反觀(guān)在氮化鎵基板上，盡管厚度達到15奈米其表面仍無(wú)缺陷存在，圖2為GaNon GaN發(fā)光層TEM剖面量測圖，量子井厚度為15奈米下，其量子井與量子能障間之接面仍非常平整，發(fā)光層有相當好的品質(zhì)，從XRD分析繞射峰波對于半波高寬的數值更可估算出量子井接面處的粗糙度，在GaN on GaN上只有大約8%，而GaN on Sapphire為46.0%(圖3)。

圖2 藍光發(fā)光二極體成長(cháng)在氮化鎵基板之發(fā)光層TEM剖面圖

圖3 (0002)面之MQW on藍寶石和GaN基板之XRD分析圖

接著(zhù)，制作15密爾(mil)×15密爾傳統mesa-type元件，在200毫安培(mA)電流量測下(圖4)，當GaN on Sapphire之量子井厚度超過(guò)6奈米，LED效能下降的非?？?，而GaN on GaN LED僅些微下降，這代表著(zhù)可以利用厚的量子井結構來(lái)提升量子井里的單位載子密度，有助于降低Auger效應，提升大電流下的LED效能。再者，從不同發(fā)光層對數搭配不同量子井厚度實(shí)驗中，亦可發(fā)現此現象(圖5)，如GaN on Sapphire的總量子井厚度存在一上限值，當超過(guò)此數值時(shí)LED效率將會(huì )下降，反觀(guān)GaN on GaN效能仍可以維持一定值之效率。

圖4 不同量子井厚度于藍寶石和GaN基板上之LED效率圖

圖5 不同量子井之對數和厚度于藍寶石和GaN基板上之LED效能圖

屬同質(zhì)生產(chǎn)材料　GaN on GaN避免極化場(chǎng)效應

傳統GaN on Sapphire除晶格不匹配所造成的缺陷以外，還存在著(zhù)晶格不匹配所引起的極化場(chǎng)效應，反觀(guān)GaN on GaN是屬于同質(zhì)成長(cháng)的材料，可降低晶格常數不匹配所引起的極化場(chǎng)效應，改善量子效率下降之問(wèn)題，圖6可發(fā)現到生長(cháng)GaN on Sapphire和GaN on GaN上的E2(High)之值在569.52奈米和567.16奈米，其中GaN on Sapphire上較大的數值是因為殘留的壓應力所造成;而GaN on GaN上的數值與單純GaN基板相同，代表著(zhù)并無(wú)應力存在GaN磊晶薄膜里。

圖6 拉曼分析圖

圖7為波長(cháng)對于不同電流注入之曲線(xiàn)圖，當注入電流增加時(shí)候會(huì )造成遮蔽效應(SCREEn Effect)，在1~50mA量測電流下，LED on Sapphire藍移約3nm;LED on GaN則藍移約0.8nm，較小的藍移代表著(zhù)LED on GaN存在較小的QCSE(Quantum-confined Stark Effect)效應，從圖8模擬結果也可看出較小的QCSE效應可有效降低電子溢流行為發(fā)生。

圖7 不同電流下之EL波長(cháng)位移量測圖

圖8 電子電流密度模擬曲線(xiàn)圖

圖9為相對外部量子效率對于電流注入曲線(xiàn)圖，在連續電流注入下，LED on GaN的峰值會(huì )出現在20?40mA下，之后隨著(zhù)電流上升而開(kāi)始下降;LED on Sapphire的峰值則小于20mA，隨著(zhù)電流上升而快速下降。在300mA電流下，LED on Sapphire和LED on GaN的外部量子效率對于峰值為56%和73%，較大的LED on GaN的峰值是因為較佳的材料品質(zhì)所造成;在300mA電流下，LED on GaN有38%的提升是因為材料品質(zhì)提升和較小的極化場(chǎng)效應所造成。

圖9 LED on sapphire和LED on GaN在連續電流和脈沖電流下之相對外部量子效率量測圖

而在脈沖量測模式下，LEDonGaN的特性并無(wú)太大差異，去除掉熱效應可提升300mA電流下之效能達76%;而LED on Sapphire卻只有12%提升，這也意味著(zhù)LED on Sapphire存在較嚴重的熱效應，當使用脈沖量測情況下，忽略熱效應的影響因此提升LED on Sapphire之效率，這也代表著(zhù)GaN基板本身除了高品質(zhì)和同質(zhì)成長(cháng)之優(yōu)點(diǎn)，更有高散熱系數之優(yōu)點(diǎn)可在大電流下操作。

可做為N型導電基板　GaN on GaN利于制作垂直結構

GaN on GaN有著(zhù)極大的優(yōu)點(diǎn)在于其基板本身可為N型導電基板，有利于制作垂直型結構，省略傳統在藍寶石基板上制作垂直型結構時(shí)所要用到的雷射剝離制程，可避免制程繁瑣、機臺昂貴且良率不高之缺點(diǎn);再者，氮化鎵基板背面為N-face面，可利用濕蝕刻制程簡(jiǎn)單制作出角錐結構，以提升光萃取率，此制程對于氮化鎵基板效率提升來(lái)說(shuō)相當的重要。

由于基板本身的背景摻雜濃度關(guān)系，在可見(jiàn)光部分透光率無(wú)法達到100%，加上氮化鎵材料與空氣間的折射系數差異，造成大部分的光都以全反射方式跑回材料本身，無(wú)法有效萃取出來(lái)，因此將氮化鎵基板N-face表面制作出幾何圖案，將有助于提升LED發(fā)光效率。

圖10為不同蝕刻時(shí)間對于氮化鎵N-face表面蝕刻情形，當蝕刻時(shí)間越久所造成的角錐大小將會(huì )越大，且密度越低。圖11為室溫EL量測圖和電壓和效率曲線(xiàn)圖，ST-LED和RB-LED為不使用和使用濕蝕刻制程之樣品，LEDI和LEDII為405nm和450nm之發(fā)光波長(cháng)，當使用濕蝕刻制程于氮化鎵基板上，可提升光萃取率并進(jìn)一步提升LED效率，此效應在短波長(cháng)特別的顯著(zhù)，在20mA電流下，近紫外光和藍光整體提升的幅度為94%和21%。

圖10 (a)未蝕刻、蝕刻、(b)1min、(c)5min、(d)10min、(e)30min和(f)60min之氮化鎵基板N-face表面之SEM量測圖

圖11 (a)室溫EL量測圖和(b)LED光電特性量測圖

n-pad金屬制作于基板　GaN on GaN縮短磊晶時(shí)間

除上述所提到的GaN on GaN的高效率的表現之外，另一大的優(yōu)點(diǎn)為磊晶時(shí)間上的縮短。傳統上，磊晶生長(cháng)LED on Sapphire上，往往需要基板烘烤的時(shí)間、低溫緩沖層及厚度4微米以上的GaN磊晶薄膜生長(cháng)時(shí)間，整體的升降溫和成長(cháng)時(shí)間約需2.5?3.5小時(shí);反觀(guān)LED on GaN，可直接將n-pad金屬制作于氮化鎵基板上，因此只要直接生長(cháng)所需要的量子井層即可(圖12)，不管是mesa-type、覆晶型或著(zhù)垂直型皆相同，也因此，不須生長(cháng)厚的氮化鎵磊晶薄膜，在腔體成長(cháng)完后，所進(jìn)行的烘烤時(shí)間和腔體維護成本上，都有大幅度的下降。

圖12 LED on sapphire(左)與LED on GaN(右)結構示意圖

盡管GaN on GaN擁有相當多的優(yōu)點(diǎn)，但目前仍受限于基板價(jià)格過(guò)于昂貴之缺點(diǎn)，導致無(wú)法大量的商品化及墊高廠(chǎng)商的進(jìn)入門(mén)檻，因此整體市場(chǎng)的切入時(shí)機點(diǎn)，將取決于上游基板廠(chǎng)商價(jià)格下降速度。所幸，受惠于各家基板廠(chǎng)商技術(shù)上的突破，越來(lái)越多廠(chǎng)商有能力制作和提供氮化鎵基板，GaN on GaN的時(shí)間將會(huì )更提早的來(lái)臨。

就技術(shù)上來(lái)看，LED on Sapphire已發(fā)展10年以上，累積相當多的經(jīng)驗和結構，且都已有眾多商品化產(chǎn)品推出，反觀(guān)GaN on GaN仍在實(shí)驗室的階段，在未來(lái)商品化的過(guò)程中，仍有許多瓶頸須克服，就技術(shù)而言，包含鋁和銦溶入率、矽和鎂摻雜活化率;各磊晶層對應基板缺陷和極化場(chǎng)降低所導致的結構上改變;基板N型摻雜對于Ga-face和N-face歐姆接觸問(wèn)題;以及基板本身殘留的內應力所導致晶粒研磨和切割問(wèn)題等，仍須研究團隊投入心血去解決。

GaN on GaN發(fā)展潛力十足

目前工研院已成功建立高溫常壓磊晶機臺，更已在GaN on GaN技術(shù)上深耕多年，從早期的HVPE氮化鎵基板成長(cháng)到目前的藍紫光LED磊晶技術(shù)，技術(shù)面皆已突破現今GaN on Sapphire之效率。在未來(lái)，就成本面觀(guān)之，透過(guò)縮短磊晶和烘烤腔體的時(shí)間、降低腔體維護成本、可大電流操作之優(yōu)勢和垂直型結構之制作成本等，搭配氮化鎵基板成本下降之趨勢，GaN on GaN將是一個(gè)深具潛力的明日之星。