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。
在藍光氮化鎵系列的發光二極體主動區量子井(quantum well)通常透過調整氮化鎵或氮化銦的比例來調配波長，但是在成長的過程中因為熱膨脹係數差異的關係，氮化銦這種材料會產生銦聚集(indium clusters)的現象，從圖1的示意圖來看可以看到在部分區藍色較深的區域表示銦的比例較高而部分區塊藍色較淺的部分表示銦的比例較低，而這些是隨機分布的。在理想上我們要調配430nm波長的藍光LED，透過能帶工程我們可以算出，量子井要設計成In0.2Ga0.8N。但實際上並不是整面well層的各個區塊都是完美的20%銦含量，因為銦聚集的關係有些區域的銦含量可能是19.7%、19.3%、20.5%、20.7%不等。而從能量的角度來看不同的銦含量所形成的能隙就會有差異性，圖2是理想上銦含量都是20%的量子井結構，整個量子井內部非常平坦，而圖3是考慮了銦聚集後的量子井能帶圖，因為銦聚集能隙的不同導致原本平坦的能帶變成有高低起伏的能量差異。而在這些高低起伏的能量差中，波谷的地方具有侷限載子的效果我們稱其為侷限能態(localization state)。而這些侷限能態對於LED來說就是會帶來好處或者是壞處其實爭議性還滿大的，支持侷限能態的學者認為這些侷限能態能夠幫助LED侷限載子在量子井中，載子溢流的機會相對就會比較小。而反對侷限能態帶來益處的學者認為，這些侷限能態會使LED的半高寬變大，發出的光不夠純，而且過多的載子堆積會形成歐傑復合的機會變多，導致效率的下降。至於真的是好是壞，我們留著讓這些科學家繼續爭論，這邊我們來教大家如何能觀察到侷限能態。
圖1. 量子井銦分布示意圖
圖2. 理想兩子井能帶圖
圖3. 實際上量子井有許多侷限能態
我們都知道半導體的載子濃度會隨著溫度下降而降低，因為能量的關係在常溫下半導體存在著許多載子，所以當施加偏壓後，載子注入時在侷限能態的地方其實迅速就被填滿了，甚至填滿到量子井沒辦法侷限(confine)載子形成載子溢流的現象(carrier overflow)。所以要觀測到侷限能帶的發光最簡易的方式就是讓載子的數量變少，所以我們可以透過2種手段來達成，一個是將環境溫度降低，另一個是讓注入載子的數量變少，也就是減少注入電流。
在小電流低溫電致發光的觀測結果如圖4，我們可以看到除了主峰以外在離主峰較長波長一點的位置還會有一個副峰，整體來看當溫度上升時波長會先紅移再藍移的趨勢，這個個現象稱為S-Shape，主要原因是因為在低溫的狀態載子注入時會先在能量較低之侷限能態中復合，能量較低之侷限能態的銦含量也會相對比較多，而當溫度稍微增加時，堆積在較低侷限能態之載子獲得能量跨過侷限能態後被侷限在附近能量更低的侷限能態當中使波長往長波長移動(紅移)，而當溫度再度增加時載子獲得足夠能量跨越目前侷限能態而被侷限在較高能量之侷限能態中形成波長藍移的現象。一般來說我們都把波長較長之副峰看成是侷限能態貢獻的峰值，而一般在常溫是不可能觀測到這個S-shape現象的，甚至連LED的副峰都看不到，從圖中可以佐證副峰的趨勢隨著溫度升高而遞減。而因為電致發光會牽涉到一些載子注入的問題，如果想要看侷限能態看的更仔細可以使用低溫光致發光的方法來觀測會更加清楚。
圖4. LED低溫EL頻譜
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