利用低溫電致發光來評估LED電子溢流 @ 地方教授Dr. Chiou半導體技術論壇

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。

發光二極體的電子溢流(electron overflow)程度會影響到發光二極體的效率(efficiency)以及效率衰減(efficiency droop)，然而直接從發光效率變化來觀察卻無法確定兩種LED的差異性是由電子溢流差異性所貢獻，因為會影響發光效率以及效率衰減的因素太多了。高手可以直接從能帶圖來判斷出不同結構的LED在結構變化上可能影響的效率因素。如圖1，可以看到LED I是傳統的LED結構，LED II是在n-GaN與短周期超晶格結構(Short period superlattice)之間插入一層p-AlGaN藉此減緩電子注入。從能帶上來看LED II在電子進入多重量子井(multiple quantum well)時必須要跨越313meV能量差，所以可以減緩電子的注入，雖然整體上來看電子阻擋層(electron blocking layer)少24meV能量差，所以綜合起來LED在阻擋電子溢流的表現還是會稍微好一點。而專業的模擬軟體價格非常昂貴，且要模擬出夠水準的data需要有相當多的基本功。對於一般工程師來說，如果能有儀器能夠分析看到結果，算是比較方便的，結果也會比較貼近真實。

用來估算LED電子溢流可以給予LED高溫或低溫環境變化來估算，可以看到的東西稍微不太一樣，我們這邊介紹如何用低溫電致發光來估算LED電子溢流。在元件降溫的過程中有兩個因素影響發光強度，分別是非輻射復合中心捕捉半徑減少與電子溢流加劇。

非輻射復合中心捕捉半徑減少：

不管在如何完美的元件都會有缺陷的存在，我們把缺陷想像成是一個非輻射復合中心，在劇烈的熱震動中，這些非輻射復合中心捕捉載子的機會會相對較高，而在降溫的過程中因為熱震動減少了，相對的也會減少非輻射復合中心的捕捉半徑，LED的強度也會因此提升。

電子溢流加劇：

在降溫的過程中，半導體的載子濃度會隨之下降，這代表著相同偏壓下可以激發出來的載子更少，在注入電流固定的情況下，因為元件的載子濃度很低，所以必須要透過能帶banding的補償才能得到相應的電流值，這會造成元件施加的偏壓要較大才能達到相應電流，而雖然根據Varshni equation來看，降溫也會使的Eg的幅度上升進而提升Vf，但是從幅度來看，Varshni law並不是佔主要因素。最後因為偏壓上升的因素，會造成原本能夠侷限載子的量子位障(quantum barrier)發揮不了應有功能而造成載子溢流(carrier overflow)加劇之情況。

在降溫的過程中，這兩個影響的因素對於光強度來說是相互在拉扯的，如圖2在降溫的前半段可以看到首先因為非輻射復合中心捕捉半徑減少，影響發光強度的幅度比較多，所以兩個樣本的光強度都有提升的趨勢，而在降溫的後半段可以發現載子溢流造成的效果開始明顯變多，光強度因此而衰減。而因為這兩個樣本的缺陷密度差異不大，我們可以忽略其非輻射捕捉半徑減少的影響。在這個前提之下我們將其60mA的電流做正規化，可以發現LED II在溫度較低時才會開始有顯著因為電子溢流加遽所造成的EL強度衰減，這表示LED I的電子溢流情況相對比較嚴重。

以這種方式我們就可以從實驗上的數據來推估樣本電子溢流的程度，當然這種判定方式是屬於有條件性的，不一定適用每一種分析的樣本，例如如果兩種結構他們除了結構設計的不同以外，缺陷的密度也差異很大，當然就無法用這種方式來做比較了。