LED的Vf會不會被溫度影響? @ 地方教授Dr. Chiou半導體技術論壇

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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。

我們在半導體元件物理裡有學到環境溫度的變化會影響到元件的載子濃度、電子遷移率、電洞遷移率等等特性。LED在半導體元件物理裡面，其實就屬於一般的二極體特性，但是實際上現在市面上所設計的LED的結構比書本上複雜許多，例如多了電子阻擋層、電流阻擋層、透明導電層、應力釋放層、反射鏡等等，有些結構會在電性上造成影響的就在半導體元件物理的書裡面找不太到介紹，這也是磊晶廠的know how。所以當我們在考量溫度變化對於元件電性的影響就有很多的面向可以去思考可能是那些因素影響會比較大。

在思考這個問題之前，我們必須要先知道LED電壓的構成是由哪幾種部分組成的，這樣比較容易釐清那些因素必須要考慮。根據E. Fred Schubert所撰寫的”Light-emitting diodes”的內容[1]，LED的順向電壓(Vf)如式1以及圖1。

對於LED來說「材料的能隙就幾乎是這個元件的電壓值」，舉例來說GaN的能隙大概是3.4eV，如果今天做的是GaN的LED那他的順向偏壓(Vf)就幾乎是等同於3.4V左右。接下來一些相對較小的波動就是串連電阻(Rs)與量子位障所影響，這些會影響可能的原因有LED的金半接面，結構堆疊設計中會使能帶產生banding的地方，載子傳輸所經過的路徑阻抗，兩子井內載子的分布狀況等等。

能隙的變化

從塊材(bulk)的角度來看熱會對能隙產生直接的變化，而能隙的變化就會直接反映到順向偏壓(Vf)，根據Varshni equation(式2)，能隙是溫度的函數，與Varshni 參數α、β相關(表1)[1]，我們可以從圖1看到GaN從0K到390K只變化了0.195eV，這相當於0跟390K的Vf變化量只有0.195V。這個變化量對於實際在量測溫度變化的狀況來說是相對少的。舉個例子如圖2，我們實際量測量子井In含量約為20%的藍光InGaN-LED，觀察其電壓隨著施加溫度的變化可以觀察到，從330K到390K電壓實際下降了0.164V，但是在Varshni equation fitting的部分卻只下降了0.0475V，這代表了雖然環境的溫度變化會影響材料的能隙，但並不是影響LED順向偏壓(Vf)的唯一因素。甚至在某些狀況，Varshni equation影響的因素還是佔相對較小比例的。

表1. Varshni equation塊材參數[1]

圖1. GaN塊材根據Varshni equation的能隙變化

圖2.InGaN-LED隨溫度的Vf變化與Varshni equation fitting

載子傳輸

LED從能帶來觀察，當注入20mA時，導通順向偏壓(Vf)的貢獻除了如上述所講的能隙以外還有經過路徑的Rs與量子位障的跨越，如圖3熱同時也是一種能量，在載子堆積在量子井或有比較難以跨越的位障時，熱能有機會將能量轉移至這些載子讓他能夠跨越這些障礙，相對的載子所看到整體Rs與跨越量子位障的能量就變低，導致整體的順向偏壓(Vf)略為下降。而在環境溫度降低的狀況則是相反，溫度下降會使順向偏壓(Vf)上升，但是其實環境溫度的下降還會影響到載子的濃度，如圖4的參考文獻[2]可以看到，不同的塊材在環境溫度下降的情況下本質濃度會降低許多，300K-0K甚至超過10量級的差異，同理在p型或n型的半導體也會因為環境溫度的降低導致載子濃度下降，也就是說在同電壓下很難激發出同樣20mA的電流。如果今天就是要注入20mA的電流，那只能夠透過電壓的補償強制讓能帶banding來達成注入20mA的效果，因此順向偏壓(Vf)就會呈現上升的趨勢。

結構設計考量

所以在結構設計的考量，一般材料與發光波長決定後大概8成左右的順向偏壓(Vf)就固定了，今天如果想要具有較不受環境溫度影響的LED就可以試圖的增加barrier的高度或提高一些電子阻擋層的設計。因為這樣在高溫操作下，只要溫度給予載子的能量不足以跨越這些能障，Vf就不會下降太多。而如果要在極低溫條件操作下不想讓順向偏壓(Vf)升高太多就要考慮是不是可以提高摻雜濃度。只要知道原理之後，就很容易可以依相應目標來設計元件，或是利用這些特性來分析LED的性能，至於要怎麼「分析」我們下次在聊。