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除了覆晶式(Flip Chip)的特殊設計以外，其他結構可以分成垂直式與水平式兩種，兩種形式的LED電流的路徑不太相同，垂直式的LED因為電極在上下兩端，電流路徑並沒有地方要額外彎折，水平式結構的LED電流會先從p電極往下灌之後，在接近n電極邊緣處產生轉折再流往n電極。而不管哪一種結構我們都希望電流能夠均勻的散佈在LED整面，但實際上卻沒這麼美好。我們以水平式的GaN系列LED舉例，如圖1可以看到傳統LED電流路徑的剖面，因為p-GaN阻抗較高，所以電流從p電極灌入時橫向流動較困難，大部分電流會選擇直接往深層灌入並n-GaN匯聚之後再流往n電極，也因為這樣大部分電流匯聚集在p電極附近形成電流擁擠(current crowding)。再讓我們看看圖2傳統LED的電流路徑俯視圖，也因為p-GaN阻抗高導致電流橫向散佈困難，所以大部分電流會選擇走最短路徑(直線)，在p電極與n電極中央形成電流擁擠。
圖1. 傳統GaN系列LED電流路徑剖面圖
圖2. 傳統GaN系列LED電流路徑俯視圖
那電流擁擠將會造成什麼不樂見的結果?電流擁擠會使部分區塊多重量子井內載子嚴重堆積，而部分區塊的多重量子井內載子卻少得可憐，發光效率會因為部分區塊量子井利用率不足而衰減。再來影響的就是熱，LED的電流路徑有阻抗，電流擁擠表示電流過度集中往同處灌入，樣本因為局部大電流的關係，該區域溫度異常高於其他地方，最後導致整個晶粒溫度上升，溫度的提升除了容易促使載子獲得能量產生熱逃脫(thermal runaway)的現象以外也會因為熱震動而增加非輻射復合中心的捕捉半徑影響效率。最後就是關於可靠度的問題，電流散佈較差的樣本對於抗靜電(ESD)的能力也會較弱，而因為局部大電流產生的熱在長時間操作下也會讓LED的電極金屬老化造成電性下降甚至導致LED燒毀。
以上的敘述講的好像很恐怖主要是想告訴讀者，電流散佈對於LED的重要性。一定會有讀者認為要解決電流散佈還不簡單，就整面給他鍍金屬就好了，管他什麼電流散佈問題。沒有錯，整面鍍金屬確實可以不管什麼電流散佈的問題，可惜的是LED是屬於光電元件，他最重要的還是要能夠發光，金屬有遮光的特性而且LED側壁的厚度約5μm，整面鍍金屬的結果會導致正面無法出光，就算想從側壁出光也會因為面積太窄使光取出率大幅下降，所以一定不可能這麼笨，整面鍍金屬。目前有許多方法用來解決電流散佈的問題，像是氧化銦錫(ITO) 就是一個偉大的發現，不僅在可見光範圍能夠達到約90%的穿透率， 也能夠維持低阻抗電性幫助橫向電流散佈，因為高光穿透率與低阻抗的特性我們稱這層為透明導電層 (Transparent Conducting Oxides)。圖3以水平式結構當作例子，加入此透明導電層厚在電性上不僅能夠降低原本金屬與p-GaN半導體的接觸電阻形成歐姆接觸以外也能夠增加電流橫向流動的能力，從剖面來看電流從p電極灌入時會先選擇往阻值較低的透明導電層流動再往下深入，因此不會像傳統的LED擁擠在p電極附近，而根據以上的原則從俯視的角度來看電流在兩端電極擁擠的現象也會獲得改善。當然除了氧化銦錫以外也有其他的氧化物有類似的效果像氧化銦鎵錫(IGZO) 、氧化鋁鋅(AZO)等都有類似應用。
圖3. 具透明導電層之GaN系列LED電流剖面
另外一個解決電流擁擠的方式就是關於LED電極的設計，除非是超小Size的LED，一般來說會設計銲線用的大電極(Pad)也會額外設計延伸電極(finger)來增加電流散佈的能力，其中延伸電極的長度、轉彎的角度、延伸電極的數量都會影響電流散佈，但在設計上電極的面積也會影響到光取出率，所以在這之中取得平衡點的問題非常複雜我們留到下次再來做介紹。
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