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。
一般消費者在使用LED時，如果要得到更高的亮度就是提高LED的操作電壓與操作電流。但是考量到發光的效率(Efficiency)，在高電流輸入時不一定是LED效率最強的時候；也就是說在高電流注入時會產生額外的功耗。以節省能源的角度來說，以加大電流來換取亮度是屬於比較浪費能源的做法。
內部量子效率(Internal Quantum Efficiency，IQE)是用來衡量LED效率的一個指標，其定義簡單來說就是單位電子轉換成光子(photo)的機率。而在實務上我們幾乎沒辦法直接得到LED的內部量子效率。因為分析的儀器架設在LED的外部，光LED內部有光子產生時一般來說並沒有朝某個特定方向出光，而光子在產生到分析儀器接收端的這個過程中有可能會其他材料的吸收率、穿透率及出光角度等因素而損耗，能夠成功脫離LED的光子機率我們稱之為光取出率(Light Extraction Efficiency，LEE)。所以一般分析LED量子效率會直接以外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)當作指標，如圖1我們可以看到一般LED的最高效率發生在低電流處。在高電流注入下會有許多因素使其產生效率衰減(Efficiency Droop)的效果。
圖1. 藍光LED隨注入電流的外部量子效率變化
針對高電流下的效率衰減目前有兩種解釋，一部分人認為主要是受歐傑複合(Auger Recombination)所影響，另一部分人則認為是大電流時產生載子溢流(Carrier Overflow)導致。無論是支持載子溢流理論或是歐傑複合理論都擁有相當的數據與資料證實，有研究針對歐傑復合影響的效率衰減提出ABC Model來解釋。一般認為內部量子效率是由載子注入效率(carrier injection efficiency，CIE)與載子復合效率(Recombination efficiency，REE)所決定如式1。式中的A、B、C係數分別代表非輻射復合(non-radiative recombination)、輻射複合(radiative recombination)與歐傑復合，而n代表載子的數量。簡單來說，只有係數B是跟LED產生光子相關，其餘的我們都可以把它當成沒有辦法促進光子的產生。
式(1)
讀者們一定很好奇，既然沒辦法促進光子的產生，究竟A與C係數會對IQE產生何種影響?
我們參考其他文獻可以得到A、B與C係數的定值，套用式1然後分別增加A與C的係數如圖2可以發現到有趣的現象。當A係數提高2倍時，IQE的最大值呈現下降的趨勢，並且變化發生在較小電流的區域。而當C係數提高2倍時整體IQE都有下降的趨勢，尤其在電流越加越大時衰減的幅度更加明顯，這其中代表了一些物理意義。
1. 非輻射復合主導了小電流時效率的衰減：這裡的非輻射復合是因為缺陷(defect)而貢獻的，在理想狀態下參與復合的載子都會形成輻射復合發出光子，但是半導體中存有一些缺陷，這些缺陷容易抓住載子，並且以震動的形式損耗能量發出聲子(photon)，最後以熱能表現出來。
2. 歐傑復合主導了大電流的效率衰減：輻射復合產生了的光子，恰巧的這個能量給予了正在堆積中的載子讓他躍遷到更高能階(energy band)，減少其參與輻射復合的機會，尤其在載子持續注入並大量堆積處，載子進行歐傑復合的機會更大。
所以回到我們上面討論的問題，操作電流其實會影響使用者在使用LED時是不是操作在相對比較省電的狀態，而其中又有些有趣的物理機制影響。下次讀者可以特別注意看看自己的LED產品是不是操作在想對省電的電流下。
圖2. 不同電流下非輻射復合係數(A)與歐傑係數(C)對IQE產生的影響
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