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。

發光二極體在電路的設計上，在電性上一般都是把它視為二極體來看待。圖1是理想的發光二極體的I-V特性曲線，理想的發光二極體在當順向偏壓突破導通電壓(V_on)後，電流會瞬間衝上去(實心線)，且幾乎是垂直的。而事實上這種I-V曲線並不存在。實際的模型如圖1a，除了LED的二極體以外，還多了一個並聯的電阻以及串聯的電阻。在LED尚未導通時，由於電流無法留過二極體，所以電流路徑則經由Rs再往Rp流動，又因為Rp的阻值比Rs大超級多，所以此時的電流由Rp阻抗大小所主導，一般狀況下我們會希望Rp盡量能夠越大越好，而有一些因素則會使Rp阻值下降，像是磊晶品質差、缺陷密度高、或者能夠提供漏電路徑的結構。而當LED處於導通狀態時，因為電流已經能夠流過二極體，從模型上來看Rp的兩端點屬於同電位，所以電流並不會流經Rp，電流則由Rs主導。因此只要是導通之後電流大小皆受Rs的大小所影響。

圖1. 發光二極體順向偏壓I-V特性[1]

在導通之後順向電壓(Vf)大小的組成可以參考式1，大概約八成的電壓都是從半導體材料的能隙所貢獻的，而半導體的能隙也會隨著溫度的變化而改變，相關的方程式稱為Varshni equation，但是其影響的程度很微小，我們在這邊暫不討論。而式1後面兩項與多重量子井的結構設計相關，影響也是相對比較小。因此，Rs的大小主導順向電壓的因素的程度約佔第二位。就LED的製造商而言，生產特定波段的材料都是固定的，例如藍光的LED就是用GaN-based的材料，生產紅光的就是用GaAs-based的材料。也就是說Eg的大小是固定無法改變的，能夠大幅調整順向偏壓的選項只能從Rs著手，像是金半接面、各層半導體層的厚度、結構堆疊的設計、摻雜濃度、電流散布等等。所以針對電性在結構上的設計就會顯得特別重要。

   (式1)

而LED在導通與未導通之間，其實有一個模糊地帶，如圖2紅色線段為理想上的LED之I-V特性曲線，而黑色線段為實際量測值。理想的LED在過了導通電壓之後，電流會瞬間往上衝，而實際的I-V特性曲線可以看到電流大概分成三個區段的斜率分別代表不同機制主導電流大小之因素。

區域”I”，處於LED未導通狀態：

在尚未施加偏壓的狀態下，LED內部的漂移電流等於擴散電流，且方向相反剛好相互抵消，所以在半導體外部量不到任何電流，而此時的LED尚未為導通的狀態，同時會有2種方式會產生電流，分別是：

1. 因為內建電場減少之後所增加的「擴散電流」。
2. 因為LED內部有些缺陷，這些缺陷為載子提供了一些能階，讓電子可以透過這個能階從n型半導體穿隧至p型半導體(電洞也是相同只是方向相反)的「穿隧電流」，如圖3。

在這階段因為內建電場被弭平的不多，所以相對上擴散電流佔的比例較少，相反的透過缺陷的穿隧電流比例會較高。而通常在磊晶品質較差，或者摻雜之雜質未完全活化的LED，這個區間的電流也會相對比較大。我們通常都將這個區段的電流視為漏電。在這部分詳細的論文介紹可以參考Moonsang Lee的期刊論文[2]。

另外我們也可以利用同樣原理，對LED施加逆向偏壓，一樣可以看到磊晶品質比較差的樣本會有較大漏電流之趨勢，同時施加逆偏也能夠排除的順篇擴散電流的影響。

區域”II”，處於LED漸漸導通狀態：

這個狀態下，較多的載子累積在空乏區兩側，同時內建電場的位障也被弭平一些，漸漸的擴散電流增加的比例多出走穿隧路徑的很多，所以此時的電流漸漸由擴散電流主導，另外在這個狀態下已經有許多載子堆積在多重量子井區(MQW)內因此在肉眼上也能看到LED會微發光(註1)。

註1：只要是擴散進主動區就有機會發光，所以其實在”I”區也會發光，只是量比較少，必須要使用EMMI(微光電子顯微鏡)才能觀測的到。

區域”III”，處於LED導通狀態：

在這個狀態下，因為施加的偏壓已經大於LED的內建電場，LED已經導通，所以此時的斜率則幾乎由Rs主導，此時從兩端注入的載子已經在多重量子井(MQW)內大量堆積並且參與輻射複合，發出大量的光。

一般的LED所操作的工作區間應該都是在導通的狀態下，如果是應用在特殊需求上，想要工作點操作在”漸漸導通”的區間就必須要特別去注意磊晶品質、空乏區寬度以及摻雜濃度的設計，因為在這個區段會影響電流值的主要是由穿隧電流與內建電場力道減弱所形成的擴散電流所組成。

雖然這裡講的都很基本，但工程師們只要好好掌握上述介紹的這些機制與特性，當老闆們想要叫你調變LED順向偏壓的電壓時，就會很有感覺知道要從哪邊去著手了。

圖2. LED 實際I-V特性曲線

圖3. LED處於未導通之狀態[2]

圖4. LED處於漸漸導通之狀態

歡迎有興趣的人留言討論~

參考文獻

1. E. Fred Schubert, “Light-Emitting Diodes. 2^nd edtion”(2006)
2. Moonsang Lee , Hyunkyu Lee , Keun Man Song and Jaekyun Kim，”Investigation of Forward Tunneling Characteristics of InGaN/GaN Blue Light-Emitting Diodes on Freestanding GaN Detached from a Si Substrate”, Nanomaterials, Vol. 8, p.p 543(2018)