LED會因為不同操作電流改變波長? 究竟有哪些效應導致這個現象－地方教授Dr. Chiou半導體技術論壇

作者: 邱裕中博士

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，曾經任職於台灣積體電路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。

在市售的LED元件通常顏色的規格只會標示紅藍黃白等。廠商並不會告知消費者當操作的電流改變波長竟然會有些微的變化。這個對於LED的製造商來說，是再為基本不過的基礎理論。我們以藍光GaN-Based的LED為例，為了增加發光效率，主動區內結構通常會設計成InGaN/GaN異質接面的多重量子井結構，這設計主要是希望有更多的載子被侷限在量子井內進而參與復合發光。但是實際上這種結構的能帶會因為quantum-confined Stark effect的關係變得有點不一樣，如圖1分別可以看到理想的量子井的結構與考量QCSE的量子井結構，發光的波長會因為QCSE極化場影響而些微往長波長位移。

180809圖1

圖1. 理想多重量子井能帶(左)與考量QCSE的能帶(右)

當LED兩端有載子注入時，可以看到如圖2載子會從能量較低處開始堆積，而恰巧的量子井內載子堆積產生的電場方向剛好跟極化後的電場方向相反，因此我們可以把它看成是兩個不同方向的電場相互抵銷，發光波長也會因此往短波長位移，甚至恢復至預設波段，我們稱此為screen effect。

圖2. Screen effect示意圖

載子注入再度增加時，量子井內部產生大量的載子堆積，如圖3示意圖可以看到因為載子堆積的能階都很接近，所以載子復合有可能不是發生在最低能階，所以除了可以看到波長往短波長位移以外，頻譜的寬度也會因此變寬我們稱此為band filling effect。所以我們能夠在圖4波長半高寬的結果觀察到有個斜率的轉折。而當注入電流再繼續提升時，LED的熱能漸漸開始影響波長的變化，注入的載子會受到熱能的影響逃脫量子井，導致量子井內部的載子數量變少，因此波長會往長波長飄移。

有趣的是，在分析樣本的觀測上，波長隨著電流的飄移我們只能觀測到screen effect、band filling effect與thermal effect的變化，而且因為screen effect、band filling effect都是造成波長往短波長漂移的結果，所以我們很難將單一效應造成波長的變化做量化。幸運的是，雖然波長會因為注入電流而有些微變化，不過這個變化量約在5nm以內，除非是對波長非常在意的應用否則大可不必理會。然而如果要再考量發光效率的影響那又是另一回事了。