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(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源，耗電量?jī)H約同亮度傳統(tǒng)光源的20%，并具有體積小、壽命長(zhǎng)、效率高、不含汞等環(huán)保與健康特性，且現(xiàn)今LED商品效率已超出每瓦110流明，LED應(yīng)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(guī)模大幅成長(zhǎng)達(dá)96億美元。另外，隨著世界各國(guó)節(jié)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(dá)40億美元，預(yù)估至2015年全球LED照明市場(chǎng)滲透率將達(dá)20%;2020年始，LED照明普及化將逐步實(shí)現(xiàn)，并成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用。

自311核災(zāi)后，日本消費(fèi)者為節(jié)能，大量采購(gòu)LED燈泡，顯示LED照明時(shí)代已然到來(lái)。為達(dá)到照明節(jié)能的目標(biāo)，各國(guó)政府于近年亦陸續(xù)頒布相關(guān)政策，如美國(guó)“能源之星(Energy Star)”計(jì)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(guó)“十一五”、“十二五”等綠能政策，美、日等主要大國(guó)更已擬定技術(shù)研發(fā)藍(lán)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(guó)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(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標(biāo)，也因此，近年來(lái)GaN on Si挾帶著大尺寸低成本優(yōu)勢(shì)，逐步挑戰(zhàn)GaN on Sapphire的地位;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(shì)，逐步嶄露頭角?，F(xiàn)階段美國(guó)Sorra更已推出以c-plane GaN基板為主的商品，未來(lái)，結(jié)合整體GaN on GaN的優(yōu)點(diǎn)再搭配基板成本的下降，預(yù)期2015年將有機(jī)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(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)和(20-21)面等，不管在哪一面上，均已有眾多研究團(tuán)隊(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(shù)匹配、垂直型元件結(jié)構(gòu)和短的磊晶時(shí)間做論述，下述實(shí)驗(yàn)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效率穩(wěn)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(zhǎng)(Epitaxial Growth)于藍(lán)寶石基板上。

然而，由于異質(zhì)磊晶成長(zhǎng)之薄膜和基板之間因晶格常數(shù)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(dǎo)致LED發(fā)光效率下降，圖1(a)~ (c)分別為藍(lán)光LED發(fā)光層成長(zhǎng)于藍(lán)寶石基板與氮化鎵基板之AFM量測(cè)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(xiàn)到發(fā)光層成長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上存在著許多的缺陷，隨著發(fā)光層厚度逐漸增厚，洞的尺寸逐漸變大。

圖1 不同藍(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(zhǎng)在藍(lán)寶石和氮化鎵基板之AFM圖

反觀在氮化鎵基板上，盡管厚度達(dá)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(cè)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(dāng)好的品質(zhì)，從XRD分析繞射峰波對(duì)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上只有大約8%，而GaN on Sapphire為46.0%(圖3)。

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

圖3 (0002)面之MQW on藍(lán)寶石和GaN基板之XRD分析圖

接著，制作15密爾(mil)×15密爾傳統(tǒng)mesa-type元件，在200毫安培(mA)電流量測(cè)下(圖4)，當(dāng)GaN on Sapphire之量子井厚度超過(guò)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)構(gòu)來(lái)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(duì)數(shù)搭配不同量子井厚度實(shí)驗(yàn)中，亦可發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象(圖5)，如GaN on Sapphire的總量子井厚度存在一上限值，當(dāng)超過(guò)此數(shù)值時(shí)LED效率將會(huì)下降，反觀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(lán)寶石和GaN基板上之LED效率圖

圖5 不同量子井之對(duì)數(shù)和厚度于藍(lán)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(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(chǎng)效應(yīng)，反觀GaN on GaN是屬于同質(zhì)成長(zhǎng)的材料，可降低晶格常數(shù)不匹配所引起的極化場(chǎng)效應(yīng)，改善量子效率下降之問(wèn)題，圖6可發(fā)現(xiàn)到生長(zhǎng)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(shù)值是因?yàn)闅埩舻膲簯?yīng)力所造成;而GaN on GaN上的數(shù)值與單純GaN基板相同，代表著并無(wú)應(yīng)力存在GaN磊晶薄膜里。

圖6 拉曼分析圖

圖7為波長(zhǎng)對(duì)于不同電流注入之曲線圖，當(dāng)注入電流增加時(shí)候會(huì)造成遮蔽效應(yīng)(SCREEn Effect)，在1~50mA量測(cè)電流下，LED on Sapphire藍(lán)移約3nm;LED on GaN則藍(lán)移約0.8nm，較小的藍(lán)移代表著LED on GaN存在較小的QCSE(Quantum-confined Stark Effect)效應(yīng)，從圖8模擬結(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。

圖7 不同電流下之EL波長(zhǎng)位移量測(cè)圖

圖8 電子電流密度模擬曲線圖

圖9為相對(duì)外部量子效率對(duì)于電流注入曲線圖，在連續(xù)電流注入下，LED on GaN的峰值會(huì)出現(xiàn)在20?40mA下，之后隨著電流上升而開(kāi)始下降;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(duì)于峰值為56%和73%，較大的LED on GaN的峰值是因?yàn)檩^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?yàn)椴牧掀焚|(zhì)提升和較小的極化場(chǎng)效應(yīng)所造成。

圖9 LED on sapphire和LED on GaN在連續(xù)電流和脈沖電流下之相對(duì)外部量子效率量測(cè)圖

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

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

GaN on GaN有著極大的優(yōu)點(diǎn)在于其基板本身可為N型導(dǎo)電基板，有利于制作垂直型結(jié)構(gòu)，省略傳統(tǒng)在藍(lán)寶石基板上制作垂直型結(jié)構(gòu)時(shí)所要用到的雷射剝離制程，可避免制程繁瑣、機(jī)臺(tái)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(jié)構(gòu)，以提升光萃取率，此制程對(duì)于氮化鎵基板效率提升來(lái)說(shuō)相當(dāng)?shù)闹匾?/p>

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(dá)到100%，加上氮化鎵材料與空氣間的折射系數(shù)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(duì)于氮化鎵N-face表面蝕刻情形，當(dāng)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(cè)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為405nm和450nm之發(fā)光波長(zhǎng)，當(dāng)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(yīng)在短波長(zhǎng)特別的顯著，在20mA電流下，近紫外光和藍(lán)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(cè)圖

圖11 (a)室溫EL量測(cè)圖和(b)LED光電特性量測(cè)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(xiàn)之外，另一大的優(yōu)點(diǎn)為磊晶時(shí)間上的縮短。傳統(tǒng)上，磊晶生長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間，整體的升降溫和成長(zhǎng)時(shí)間約需2.5?3.5小時(shí);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(zhǎng)所需要的量子井層即可(圖12)，不管是mesa-type、覆晶型或著垂直型皆相同，也因此，不須生長(zhǎng)厚的氮化鎵磊晶薄膜，在腔體成長(zhǎng)完后，所進(jìn)行的烘烤時(shí)間和腔體維護(hù)成本上，都有大幅度的下降。

圖12 LED on sapphire(左)與LED on GaN(右)結(jié)構(gòu)示意圖

盡管GaN on GaN擁有相當(dāng)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(dǎo)致無(wú)法大量的商品化及墊高廠商的進(jìn)入門檻，因此整體市場(chǎng)的切入時(shí)機(jī)點(diǎn)，將取決于上游基板廠商價(jià)格下降速度。所幸，受惠于各家基板廠商技術(shù)上的突破，越來(lái)越多廠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(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)，且都已有眾多商品化產(chǎn)品推出，反觀GaN on GaN仍在實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)基板缺陷和極化場(chǎng)降低所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)上改變;基板N型摻雜對(duì)于Ga-face和N-face歐姆接觸問(wèn)題;以及基板本身殘留的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致晶粒研磨和切割問(wèn)題等，仍須研究團(tuán)隊(duì)投入心血去解決。

GaN on GaN發(fā)展?jié)摿κ?/strong>

目前工研院已成功建立高溫常壓磊晶機(jī)臺(tái)，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(zhǎng)到目前的藍(lán)紫光LED磊晶技術(shù)，技術(shù)面皆已突破現(xiàn)今GaN on Sapphire之效率。在未來(lái)，就成本面觀之，透過(guò)縮短磊晶和烘烤腔體的時(shí)間、降低腔體維護(hù)成本、可大電流操作之優(yōu)勢(shì)和垂直型結(jié)構(gòu)之制作成本等，搭配氮化鎵基板成本下降之趨勢(shì)，GaN on GaN將是一個(gè)深具潛力的明日之星。