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作者: 邱裕中

目前為南臺學校財團法人南臺科技大學教授,兼任光電與積體電路故障分析中心執行長,曾經任職於台積電專注於晶片良率提升與故障分析技術,對於光電半導體元件、積體電路與故障分析等相關議題有濃厚的使命與興趣。

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作者: 邱裕中

目前為南臺學校財團法人南臺科技大學教授,兼任光電與積體電路故障分析中心執行長,曾經任職於台積電專注於晶片良率提升與故障分析技術,對於光電半導體元件、積體電路與故障分析等相關議題有濃厚的使命與興趣。

發光二極體在電路的設計上,在電性上一般都是把它視為二極體來看待。圖1是理想的發光二極體的I-V特性曲線,理想的發光二極體在當順向偏壓突破導通電壓(Von)後,電流會瞬間衝上去(實心線),且幾乎是垂直的。而事實上這種I-V曲線並不存在。實際的模型如圖1a,除了LED的二極體以外,還多了一個並聯的電阻以及串聯的電阻。在LED尚未導通時,由於電流無法留過二極體,所以電流路徑則經由Rs再往Rp流動,又因為Rp的阻值比Rs大超級多,所以此時的電流由Rp阻抗大小所主導,一般狀況下我們會希望Rp盡量能夠越大越好,而有一些因素則會使Rp阻值下降,像是磊晶品質差、缺陷密度高、或者能夠提供漏電路徑的結構。而當LED處於導通狀態時,因為電流已經能夠流過二極體,從模型上來看Rp的兩端點屬於同電位,所以電流並不會流經Rp,電流則由Rs主導。因此只要是導通之後電流大小皆受Rs的大小所影響。

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目前為南臺學校財團法人南臺科技大學教授,兼任光電與積體電路故障分析中心執行長,曾經任職於台積電專注於晶片良率提升與故障分析技術,對於光電半導體元件、積體電路與故障分析等相關議題有濃厚的使命與興趣。

我們在之前的文章有提到電子溢流(Electron overflow)對於發光二極體的發光效率(efficiency)以及效率衰減(efficiency droop)影響很大,並且可以利用給予發光二極體低溫的環境中來觀察到電子溢流以及非輻射復合中心補捉半徑減少的現象。藉此,我們可以在特定的樣本之間來評估樣本電子溢流的多寡。然而,也是有其他的指標可以用來評估電子溢流,例如像是Hot / Cold Factor 在此之前,我們先說明環境溫度在從室溫開始升溫的情況下會發生什麼事情?與先前討論的結果略有不同,因為從室溫升溫的過程中載子濃度都很高,所以並不會有之前我們討論低溫EL系統,因為半導體在低溫環境下,載子濃度不足而依靠電壓補償注入電流之情況,而另外也因為載子濃度滿高的,所以即使溫度上升會增加非輻射複合中心的捕捉半徑,整體的效率也不至於影響太多,除非是在小電流的情況下。所以在高溫的情況我們先前在低溫講述的概念略有不同。

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發光二極體的電子溢流(electron overflow)程度會影響到發光二極體的效率(efficiency)以及效率衰減(efficiency droop),然而直接從發光效率變化來觀察卻無法確定兩種LED的差異性是由電子溢流差異性所貢獻,因為會影響發光效率以及效率衰減的因素太多了。高手可以直接從能帶圖來判斷出不同結構的LED在結構變化上可能影響的效率因素。如圖1,可以看到LED I是傳統的LED結構,LED II是在n-GaN與短周期超晶格結構(Short period superlattice)之間插入一層p-AlGaN藉此減緩電子注入。從能帶上來看LED II在電子進入多重量子井(multiple quantum well)時必須要跨越313meV能量差,所以可以減緩電子的注入,雖然整體上來看電子阻擋層(electron blocking layer)24meV能量差,所以綜合起來LED在阻擋電子溢流的表現還是會稍微好一點。而專業的模擬軟體價格非常昂貴,且要模擬出夠水準的data需要有相當多的基本功。對於一般工程師來說,如果能有儀器能夠分析看到結果,算是比較方便的,結果也會比較貼近真實。

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在藍光氮化鎵系列的發光二極體主動區量子井(quantum well)通常透過調整氮化鎵或氮化銦的比例來調配波長,但是在成長的過程中因為熱膨脹係數差異的關係,氮化銦這種材料會產生銦聚集(indium clusters)的現象,從圖1的示意圖來看可以看到在部分區藍色較深的區域表示銦的比例較高而部分區塊藍色較淺的部分表示銦的比例較低,而這些是隨機分布的。在理想上我們要調配430nm波長的藍光LED,透過能帶工程我們可以算出,量子井要設計成In0.2Ga0.8N。但實際上並不是整面well層的各個區塊都是完美的20%銦含量,因為銦聚集的關係有些區域的銦含量可能是19.7%19.3%20.5%20.7%不等。而從能量的角度來看不同的銦含量所形成的能隙就會有差異性,圖2是理想上銦含量都是20%的量子井結構,整個量子井內部非常平坦,而圖3是考慮了銦聚集後的量子井能帶圖,因為銦聚集能隙的不同導致原本平坦的能帶變成有高低起伏的能量差異。而在這些高低起伏的能量差中,波谷的地方具有侷限載子的效果我們稱其為侷限能態(localization state)。而這些侷限能態對於LED來說就是會帶來好處或者是壞處其實爭議性還滿大的,支持侷限能態的學者認為這些侷限能態能夠幫助LED侷限載子在量子井中,載子溢流的機會相對就會比較小。而反對侷限能態帶來益處的學者認為,這些侷限能態會使LED的半高寬變大,發出的光不夠純,而且過多的載子堆積會形成歐傑復合的機會變多,導致效率的下降。至於真的是好是壞,我們留著讓這些科學家繼續爭論,這邊我們來教大家如何能觀察到侷限能態。

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故障分析的方法中用來定位漏電位置的方法大概可以分成三個種類分別是thermal emissionlaser induced thermal effectphoto emissionThermal emission這種方式的原理是利用漏電處會產生局部大電流,使樣本局部產生溫度梯度,並用偵測溫差變化來定位漏電位置,這種方式因為解析度的問題,適合用在偵測物屬於大面積以及大電流的樣本,像是PCB板漏電位置定位。而laser induce thermal effect又稱為Optical Beam Induced Resistance Change (OBIRCH),顧名思義就是利用雷射在元件表面掃描,藉由局部雷射聚焦產生的溫度梯度變化造成阻值變化,經由阻值變化的比對來定義出缺陷位置。Photo emission又稱Emission microscope(EMMI),其原理是利用顯微鏡搭配一個光感測器來偵測缺陷所產生的特定波段的光,並將亮點位置與光學顯微鏡(Optical MicroscopyOM)影像疊加來定位漏電位置。ObirchEmmi都適合用來偵測LED的漏電位置,在這邊我們先詳細介紹EMMI給大家。

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LED的結構可以把它看成一個二極體來看,當然實際內部結構是複雜許多,但是許多相關技術理論發展已經算很純熟,說起來也不算複雜。它是屬於雙載子元件,簡單來說可以理解成,對這個元件來說電子與電洞都同樣重要。讀者一定很好奇,那為什麼標題又會打LED夠亮要看電洞的臉色?

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