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要夠亮要看電洞的臉色?
稍微複習一下我們先前的討論，對GaN材料來說，因為有效質量(Effective mass)的關係，電子天生跑的就比電洞還要快，所以會在結構上傾向設計成能夠阻擋電子跑出量子井(Quantum well)區域為主，像是電子阻擋層(Electron blocking layer)形式的結構。但是這種類型的結構天生就會影響電洞注入量子井，所以可以看到幾乎所有模擬類型的論文模擬出來的結果，電洞都會集中在靠近p型區域的最後幾對多重量子井(Multiple-Quantum Well)。所以有許多學者提出的觀點便認為，雖然輻射復合必須要同時有電子或電洞參與，但因為電子天生就跑得比較快，所以比起電子，電洞能夠有效進入多重量子井區域更顯得重要一些。
讓我們用圖形來解說會比較直觀，圖1. 是我們團隊使用APSYS這套模擬軟體模擬目前典型GaN系列有電子阻擋層設計的LED能帶圖(energy band)，我們從能帶圖可以看到，最後一個量子井內的電子如果要溢流(overflow)到p-GaN區域它必須要跨越531.19meV能量的高牆，這個比沒有做電子阻擋層的樣本更有能力讓電子流在量子井內。但是同時看到價帶那端，電洞要進入量子井內部也是要跨越541.84meV的高牆。這種設計就像是雙面刃，我們不可否認這個設計確實能夠提高LED的效率，而且市面上約9成9的GaN系列LED產品都有類似這種設計，所以兩害相權取其輕，對設計者來說只能在阻擋電子與阻擋電洞的中間衡量出一個平衡點。
圖1. APSYS模擬俱備EBL的LED能帶圖
所以究竟有哪些解套方式在有電子阻擋層的情況，能夠讓電洞注入的效過好一點?其實能夠增加電洞注入的方法還不少，舉例來說像是最後一層量子位障是GaN材料，而電子阻擋層是AlGaN材料(GaN藍光LED的EBL鋁含量約30%)，因為這兩個材料的晶格常數差異導致在能帶的表現上會因為極化場而略有彎曲，這樣的能帶彎曲會造成阻礙電洞注入的效果，可以透過漸變鋁的比例來製作漸變式的AlGaN電子阻擋層來減少這個能帶彎曲(band bending)。又或者可以在電子阻擋層這層摻雜高濃度的p型摻雜，藉此拉抬這層的能帶，舒緩電洞阻擋的效果。又或者可以將此電子阻擋層的厚度縮減，雖然位障的高度不變，但是電洞有機率性的可以透過較薄的電子阻擋層穿隧進入量子井。還有諸多諸多方式可以用來改善電洞注入的效果。最後在這邊我們再分享一個團隊內所做的研究實例，針對要同時要在電子注入與電洞注入取得平衡點的解決方式，我們將電子阻擋層的結構設計成短周期超晶格的形式，藉此來調整能帶的變化如圖2。可以看到跟圖1比較起來不僅提高電子要跨越的能障以外，有相對較縮短電洞要跨越的能障高度，而且此種設計除了直接跨越以外也提供電洞機率性穿隧至量子井的機會。
圖2. APSYS模擬短周期超晶格EBL的LED能帶
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