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解讀GaN on GaN LED破效率與成本“魔咒”

編輯:admin 2014-06-25 14:52:58 瀏覽�1747  來源�

       �(fā)光二極體(LED)的發(fā)光效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源,耗電量僅約同亮度傳統(tǒng)光源�20%,并具有體積小、壽命長、效率高、不含汞等環(huán)保與健康特性,且現(xiàn)今LED商品效率已超出每�110流明,LED�(yīng)用領(lǐng)域更是無限寬廣。尤其在照明、筆記型電腦/液晶電視背光模組等新興市場全面帶動下�2010年全球LED市場�(guī)模大幅成長達(dá)96億美元。另外,隨著世界各國節(jié)能政策推動,LED照明于照明市場的滲透率已突�3%,整體產(chǎn)值達(dá)40億美元,�(yù)估至2015年全球LED照明市場滲透率將達(dá)20%;2020年始,LED照明普及化將逐步實現(xiàn),并成為LED�(chǎn)�(yè)的主要應(yīng)用�

       �311核災(zāi)后,日本消費者為節(jié)能,大量采購LED燈泡,顯示LED照明時代已然到來。為�(dá)到照明節(jié)能的目標(biāo),各國政府于近年亦陸�(xù)頒布相關(guān)政策,如美國“能源之�(Energy Star)”計劃、日本“Eco-Point”制度、南韓�15/30”與“綠色LED照明普及�(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�(shù)研發(fā)�(lán)圖,致力于發(fā)展高效能固態(tài)照明技�(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�(fā)國家溫室氣體排放�1990年減�25~40%�

       然而,目前商品化的氮化�(GaN)半導(dǎo)體光電元件皆以藍(lán)寶石(Sapphire)與碳化硅(SiC)基板為主,為能取代現(xiàn)有照明產(chǎn)品,效率及成本是各家廠商戮力的目�(biāo),也因此,近年來GaN on Si挾帶著大尺寸低成本優(yōu)勢,逐步挑戰(zhàn)GaN on Sapphire的地�;另一方面,GaN on GaN則挾帶著高效能及可大電流操作的優(yōu)勢,逐步嶄露頭角。現(xiàn)階段美國Sorra更已推出以c-plane GaN基板為主的商品,未來,結(jié)合整體GaN on GaN的優(yōu)點再搭配基板成本的下降,�(yù)�2015年將有機會取代LED照明方案�

       受惠于技�(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�(tǒng)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)�(20-21)面等,不管在哪一面上,均已有眾多研究�(tuán)隊發(fā)表相�(guān)LED效能的論文,但就以整體純熟的技�(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,分別為高品質(zhì)磊晶薄膜、磊晶薄膜與基板之晶格常�(shù)匹配、垂直型元件�(jié)�(gòu)和短的磊晶時間做論述,下述實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(shù)不匹配影響 GaN on GaN效率�(wěn)�

       目前氮化鎵系列的�(fā)光層以氮化鎵和氮化銦�(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(Epitaxial Growth)于藍(lán)寶石基板上�

       然而,由于異質(zhì)磊晶成長之薄膜和基板之間因晶格常�(shù)彼此不匹配,而造成氮化物薄膜中�(chǎn)生極高的缺陷密度(�109~1010cm-2),�(jìn)一步導(dǎo)致LED�(fā)光效率下降,�1(a)~ (c)分別為藍(lán)光LED�(fā)光層成長于藍(lán)寶石基板與氮化鎵基板之AFM量測圖,其量子井厚度分別�2.7奈米�6奈米�15奈米,可�(fā)�(xiàn)到發(fā)光層成長在藍(lán)寶石基板上存在著許多的缺陷,隨著�(fā)光層厚度逐漸增厚,洞的尺寸逐漸變大�

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”

�1 不同�(lán)光發(fā)光二極體之量子井厚度(a) 2.7nm�(b) 6.0nm�(c)15.0nm之成長在�(lán)寶石和氮化鎵基板之AFM�

       反觀在氮化鎵基板上,盡管厚度�(dá)�15奈米其表面仍無缺陷存在,�2為GaNon GaN�(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�(dāng)好的品質(zhì),從XRD分析繞射峰波對于半波高寬的數(shù)值更可估算出量子井接面處的粗糙度,在GaN on GaN上只有大�8%,而GaN on Sapphire�46.0%(�3)�

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”

 

�2 �(lán)光發(fā)光二極體成長在氮化鎵基板之發(fā)光層TEM剖面�

�3 (0002)面之MQW on�(lán)寶石和GaN基板之XRD分析�

       接著,制�15密爾(mil)×15密爾傳統(tǒng)mesa-type元件,在200毫安�(mA)電流量測�(�4),當(dāng)GaN on Sapphire之量子井厚度超過6奈米,LED效能下降的非常快,而GaN on GaN LED僅些微下降,這代表著可以利用厚的量子井結(jié)�(gòu)來提升量子井里的單位載子密度,有助于降低Auger效應(yīng),提升大電流下的LED效能。再者,從不同發(fā)光層對數(shù)搭配不同量子井厚度實驗中,亦可發(fā)�(xiàn)此現(xiàn)�(�5),如GaN on Sapphire的總量子井厚度存在一上限值,�(dāng)超過此數(shù)值時LED效率將會下降,反觀GaN on GaN效能仍可以維持一定值之效率�

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”
 

�4 不同量子井厚度于�(lán)寶石和GaN基板上之LED效率�

�5 不同量子井之對數(shù)和厚度于�(lán)寶石和GaN基板上之LED效能�

       屬同�(zhì)生產(chǎn)材料 GaN on GaN避免極化場效�(yīng)

       傳統(tǒng)GaN on Sapphire除晶格不匹配所造成的缺陷以外,還存在著晶格不匹配所引起的極化場效應(yīng),反觀GaN on GaN是屬于同�(zhì)成長的材料,可降低晶格常�(shù)不匹配所引起的極化場效應(yīng),改善量子效率下降之問題,圖6可發(fā)�(xiàn)到生長GaN on Sapphire和GaN on GaN上的E2(High)之值在569.52奈米�567.16奈米,其中GaN on Sapphire上較大的�(shù)值是因為殘留的壓�(yīng)力所造成;而GaN on GaN上的�(shù)值與單純GaN基板相同,代表著并無�(yīng)力存在GaN磊晶薄膜里�

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”

�6 拉曼分析�

       �7為波長對于不同電流注入之曲線圖,�(dāng)注入電流增加時候會造成遮蔽效應(yīng)(SCREEn Effect),在1~50mA量測電流下,LED on Sapphire�(lán)移約3nm;LED on GaN則藍(lán)移約0.8nm,較小的�(lán)移代表著LED on GaN存在較小的QCSE(Quantum-confined Stark Effect)效應(yīng),從�8模擬�(jié)果也可看出較小的QCSE效應(yīng)可有效降低電子溢流行為發(fā)生�

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”

�7 不同電流下之EL波長位移量測�

�8 電子電流密度模擬曲線�

       �9為相對外部量子效率對于電流注入曲線圖,在連續(xù)電流注入下,LED on GaN的峰值會出現(xiàn)�20?40mA下,之后隨著電流上升而開始下�;LED on Sapphire的峰值則小于20mA,隨著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%�73%,較大的LED on GaN的峰值是因為較佳的材料品�(zhì)所造成;�300mA電流下,LED on GaN�38%的提升是因為材料品質(zhì)提升和較小的極化場效�(yīng)所造成�

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”
 

�9 LED on sapphire和LED on GaN在連續(xù)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的特性并無太大差異,去除掉熱效應(yīng)可提�300mA電流下之效能�(dá)76%;而LED on Sapphire卻只�12%提升,這也意味著LED on Sapphire存在較嚴(yán)重的熱效�(yīng),當(dāng)使用脈沖量測情況下,忽略熱效�(yīng)的影響因此提升LED on Sapphire之效率,這也代表著GaN基板本身除了高品�(zhì)和同�(zhì)成長之優(yōu)點,更有高散熱系�(shù)之優(yōu)點可在大電流下操作�

       可做為N型導(dǎo)電基板 GaN on GaN利于制作垂直�(jié)�(gòu)

       GaN on GaN有著極大的優(yōu)點在于其基板本身可為N型導(dǎo)電基板,有利于制作垂直型�(jié)�(gòu),省略傳�(tǒng)在藍(lán)寶石基板上制作垂直型�(jié)�(gòu)時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�;再者,氮化鎵基板背面為N-face面,可利用濕蝕刻制程簡單制作出角錐結(jié)�(gòu),以提升光萃取率,此制程對于氮化鎵基板效率提升來說相�(dāng)?shù)闹匾?/P>

       由于基板本身的背景摻雜濃度關(guān)系,在可見光部分透光率無法達(dá)�100%,加上氮化鎵材料與空氣間的折射系�(shù)差異,造成大部分的光都以全反射方式跑回材料本身,無法有效萃取出來,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�(fā)光效率�

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

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”

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

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�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縮短磊晶時間

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

解讀GaN on GaN LED技術(shù) 破效率與成本“魔咒”

�12 LED on sapphire(�)與LED on GaN(�)�(jié)�(gòu)示意�

       盡管GaN on GaN擁有相當(dāng)多的�(yōu)點,但目前仍受限于基板價格過于昂貴之缺點,導(dǎo)致無法大量的商品化及墊高廠商的�(jìn)入門檻,因此整體市場的切入時機點,將取決于上游基板廠商價格下降速度。所幸,受惠于各家基板廠商技�(shù)上的突破,越來越多廠商有能力制作和提供氮化鎵基板,GaN on GaN的時間將會更提早的來臨�

       就技�(shù)上來看,LED on Sapphire已發(fā)�10年以上,累積相當(dāng)多的�(jīng)驗和�(jié)�(gòu),且都已有眾多商品化�(chǎn)品推出,反觀GaN on GaN仍在實驗室的階段,在未來商品化的過程中,仍有許多瓶頸須克服,就技�(shù)而言,包含鋁和銦溶入率、矽和鎂摻雜活化�;各磊晶層對應(yīng)基板缺陷和極化場降低所�(dǎo)致的�(jié)�(gòu)上改�;基板N型摻雜對于Ga-face和N-face歐姆接觸問題;以及基板本身殘留的內(nèi)�(yīng)力所�(dǎo)致晶粒研磨和切割問題等,仍須研究�(tuán)隊投入心血去解決�

       GaN on GaN�(fā)�?jié)摿κ?/STRONG>

       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�(shù)上深耕多年,從早期的HVPE氮化鎵基板成長到目前的藍(lán)紫光LED磊晶技�(shù),技�(shù)面皆已突破現(xiàn)今GaN on Sapphire之效率。在未來,就成本面觀之,透過縮短磊晶和烘烤腔體的時間、降低腔體維�(hù)成本、可大電流操作之�(yōu)勢和垂直型結(jié)�(gòu)之制作成本等,搭配氮化鎵基板成本下降之趨勢,GaN on GaN將是一個深具潛力的明日之星�

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