LED要够亮要看电洞脸色?

作者: 邱裕中

目前为南台学校财团法人南台科技大学教授，兼任光电与积体电路故障分析中心执行长，曾经任职于台积电专注于晶片良率提升与故障分析技术，对于光电半导体元件、积体电路与故障分析等相关议题有浓厚的使命与兴趣。

LED的结构可以把它看成一个二极体来看，当然实际内部结构是复杂许多，但是许多相关技术理论发展已经算很纯熟，说起来也不算复杂。它是属于双载子元件，简单来说可以理解成，对这个元件来说电子与电洞都同样重要。读者一定很好奇，那为什么标题又会打LED要够亮要看电洞的脸色?

稍微复习一下我们先前的讨论，对GaN材料来说，因为有效质量(Effective mass)的关系，电子天生跑的就比电洞还要快，所以会在结构上倾向设计成能够阻挡电子跑出量子井(Quantum well)区域为主，像是电子阻挡层(Electron blocking layer)形式的结构。但是这种类型的结构天生就会影响电洞注入量子井，所以可以看到几乎所有模拟类型的论文模拟出来的结果，电洞都会集中在靠近p型区域的最后几对多重量子井(Multiple-Quantum Well)。所以有许多学者提出的观点便认为，虽然辐射复合必须要同时有电子或电洞参与，但因为电子天生就跑得比较快，所以比起电子，电洞能够有效进入多重量子井区域更显得重要一些。

让我们用图形来解说会比较直观，图1. 是我们团队使用APSYS这套模拟软体模拟目前典型GaN系列有电子阻挡层设计的LED能带图(energy band)，我们从能带图可以看到，最后一个量子井内的电子如果要溢流(overflow)到p-GaN区域它必须要跨越531.19meV能量的高墙，这个比没有做电子阻挡层的样本更有能力让电子流在量子井内。但是同时看到价带那端，电洞要进入量子井内部也是要跨越541.84meV的高墙。这种设计就像是双面刃，我们不可否认这个设计确实能够提高LED的效率，而且市面上约9成9的GaN系列LED产品都有类似这种设计，所以两害相权取其轻，对设计者来说只能在阻挡电子与阻挡电洞的中间衡量出一个平衡点。

图1. APSYS模拟俱备EBL的LED能带图

所以究竟有哪些解套方式在有电子阻挡层的情况，能够让电洞注入的效过好一点?其实能够增加电洞注入的方法还不少，举例来说像是最后一层量子位障是GaN材料，而电子阻挡层是AlGaN材料(GaN蓝光LED的EBL铝含量约30%)，因为这两个材料的晶格常数差异导致在能带的表现上会因为极化场而略有弯曲，这样的能带弯曲会造成阻碍电洞注入的效果，可以透过渐变铝的比例来制作渐变式的AlGaN电子阻挡层来减少这个能带弯曲(band bending)。又或者可以在电子阻挡层这层掺杂高浓度的p型掺杂，借此拉抬这层的能带，舒缓电洞阻挡的效果。又或者可以将此电子阻挡层的厚度缩减，虽然位障的高度不变，但是电洞有机率性的可以透过较薄的电子阻挡层穿隧进入量子井。还有诸多诸多方式可以用来改善电洞注入的效果。最后在这边我们再分享一个团队内所做的研究实例，针对要同时要在电子注入与电洞注入取得平衡点的解决方式，我们将电子阻挡层的结构设计成短周期超晶格的形式，借此来调整能带的变化如图2。可以看到跟图1比较起来不仅提高电子要跨越的能障以外，有相对较缩短电洞要跨越的能障高度，而且此种设计除了直接跨越以外也提供电洞机率性穿隧至量子井的机会。