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。
LED是屬於雙載子元件，電子與電洞分別由n型半導體與p型半導體兩端注入，當電子與電洞在主動區(active layer)內相遇時，電子會從能帶的導帶落至價帶與電洞復合，當復合產生光子(photo)我們稱其為輻射復合(radiative recombination)，反之產生聲子(phonon)我們稱其為非輻射復合(non- radiative recombination)。而為了能夠增加輻射復合的機率，通常我們會採用異質結構的堆疊，設計成多重量子井(Multiple-Quantum Well, MQW)結構，從能帶的角度來說，多重量子井內部會有屬於能階比較高的量子位障(Quantum Barrier)以及能量比較低的量子井(Quantum Well)所構成。因為能階高低的差異，當載子注入近量子井時容易被兩端的量子位障侷限(confine)在量子井裡。我們可以想像半導體就像是一條水溝，而電子注入就像是你拿一個水桶往水溝的一端倒水，水會開始順著水溝流動，量子位障就是水流動路徑中比較高的石塊，水流必須突破他的高度才會往後流，而量子井就像是水流動路中的坑洞，水流只要流進坑洞就會積在那邊。相反的電洞也是一樣的比喻，只是電洞是從另一邊的水倒水，水都會堆積在比較低窪的部分。
讓我們回到輻射復合的機制，電子要跟電洞相遇才有機會輻射復合產生光子。因此這個量子井設計的目的，主要就是希望電子跟電洞能夠被侷限在能階較低的同一個位置並且參與輻射復合。當然事情一定不會這麼順利，雖然這樣的設計能夠侷限電子跟電洞，但在同一個量子井堆積的數量並不相同。
我們以藍光GaN-based的LED為例子，從GaN材料特性上來看電子與電洞的有效質量分別是0.2me與0.8me，有效質量的差異代表的意義是載子傳輸時，電子跑的會比電洞來的快。當電子跑的比較快會發生什麼事情?如圖1示意圖，可以看到載子從兩端注入，大部分的電子跟電洞卻是堆積在靠近p型半導體的最後兩對量子井。甚至有許多電子因為跑太快直接跑出主動區，我們稱這個現象為電子溢流(electron overflow)。也就是說，溢流出去的電子並沒有參與輻射復合，發光的機率也會因此下降。所以在結構上的設計我們會很直觀的希望電子不要跑這麼快。尤其當操作電流提升時，量子井無法及時消耗電子電洞對形成堆積時，溢流情況也會變得更加嚴重。
圖1. 電子電洞堆積示意圖
簡單來說為了讓電子可以不要跑這麼快，最直覺的方式就是把他的腳砍斷，(可惜電子沒有腳)，那只好蓋一座高牆讓它難跑一點，盡量留在主動區內。以能帶的觀點來看就是提高電子跨入p型半導體的位障高度，我們稱這種設計為電子阻擋層(Electron Blocking Layer，EBL)。如圖2，GaN-based的LED的EBL通常材料選擇是AlGaN，電子因為這層的關係，要跨越的能量變得比較高，電子就會有比較多的機會被留在主動區內參與輻射復合。雖然如此，當注入電流上升到一定程度，這層阻擋電子的效果就會大打折扣。可以把注入的電子想像是暴雨的洪水，而EBL就像是家門口的擋土堆。當小水流時擋土堆還能將水擋在門外，而在洪水來襲時，儘管有高高的擋土堆洪水依然會灌入家裡。不過題外話是，雖然這樣做能夠阻擋電子，但是我們仔細觀察價帶那側的能帶卻可以發現一個有趣的現象，就是這種結構看起來好像也會擋電洞耶?沒錯，這樣的結構設計確實也會阻擋電洞，所以聰明的工程師們就想到了一個解決辦法，在這層在摻雜一些p型的雜質，讓這一側的能帶略為上抬，除了可以再增加阻擋電子的能障高度以外還能減緩電洞阻擋的效果，真是一舉兩得，可喜可賀。
圖2. 電子阻檔層能帶示意圖
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