解读GaN on GaN LED破效率与成本“魔咒”

       发光二极体(LED)的发光效率远高于传统光源，耗电量仅约同亮度传统光源的20%，并具有体积小、寿命长、效率高、不含汞等环保与健康特性，且现今LED商品效率已超出每瓦110流明，LED应用领域更是无限宽广。尤其在照明、笔记型电脑/液晶电视背光模组等新兴市场全面带动下，2010年全球LED市场规模大幅成长达96亿美元。另外，随着世界各国节能政策推动，LED照明于照明市场的渗透率已突破3%，整体产值达40亿美元，预估至2015年全球LED照明市场渗透率将达20%;2020年始，LED照明普及化将逐步实现，并成为LED产业的主要应用。

       自311核灾后，日本消费者为节能，大量采购LED灯泡，显示LED照明时代已然到来。为达到照明节能的目标，各国政府于近年亦陆续颁布相关政策，如美国“能源之星(Energy Star)”计划、日本“Eco-Point”制度、南韩“15/30”与“绿色LED照明普及发展方案”、中国“十一五”、“十二五”等绿能政策，美、日等主要大国更已拟定技术研发蓝图，致力于发展高效能固态照明技术，以提升能源使用效率，并大幅降低温室气体排放量，促成2020年前已开发国家温室气体排放较1990年减少25~40%。

       然而，目前商品化的氮化镓(GaN)半导体光电元件皆以蓝宝石(Sapphire)与碳化硅(SiC)基板为主，为能取代现有照明产品，效率及成本是各家厂商戮力的目标，也因此，近年来GaN on Si挟带着大尺寸低成本优势，逐步挑战GaN on Sapphire的地位;另一方面，GaN on GaN则挟带着高效能及可大电流操作的优势，逐步崭露头角。现阶段美国Sorra更已推出以c-plane GaN基板为主的商品，未来，结合整体GaN on GaN的优点再搭配基板成本的下降，预期2015年将有机会取代LED照明方案。

       受惠于技术上的突破，氮化镓已有非常多的晶向面可做为LED基板，包含传统极性面的c-plane、非极性的m-plane和a-plane，以及半极性的(11-22)、(10-12)、(20-2-1)和(20-21)面等，不管在哪一面上，均已有众多研究团队发表相关LED效能的论文，但就以整体纯熟的技术、基板大小和成本考量，仍以c-plane的氮化镓基板最具竞争力，因此以下归纳GaN on c-plane GaN LED的优点，分别为高品质磊晶薄膜、磊晶薄膜与基板之晶格常数匹配、垂直型元件结构和短的磊晶时间做论述，下述实验所使用的氮化镓基板之缺陷密度为105~106cm-2。

       不受晶格常数不匹配影响　GaN on GaN效率稳定

       目前氮化镓系列的发光层以氮化镓和氮化铟镓(InGaN)材料为主，此种发光二极体因缺乏与基板晶格匹配的基板，一般皆将此材料磊晶成长(Epitaxial Growth)于蓝宝石基板上。

       然而，由于异质磊晶成长之薄膜和基板之间因晶格常数彼此不匹配，而造成氮化物薄膜中产生极高的缺陷密度(约109~1010cm-2)，进一步导致LED发光效率下降，图1(a)~ (c)分别为蓝光LED发光层成长于蓝宝石基板与氮化镓基板之AFM量测图，其量子井厚度分别为2.7奈米、6奈米和15奈米，可发现到发光层成长在蓝宝石基板上存在着许多的缺陷，随着发光层厚度逐渐增厚，洞的尺寸逐渐变大。

图1 不同蓝光发光二极体之量子井厚度(a) 2.7nm、(b) 6.0nm、(c)15.0nm之成长在蓝宝石和氮化镓基板之AFM图

       反观在氮化镓基板上，尽管厚度达到15奈米其表面仍无缺陷存在，图2为GaNon GaN发光层TEM剖面量测图，量子井厚度为15奈米下，其量子井与量子能障间之接面仍非常平整，发光层有相当好的品质，从XRD分析绕射峰波对于半波高宽的数值更可估算出量子井接面处的粗糙度，在GaN on GaN上只有大约8%，而GaN on Sapphire为46.0%(图3)。

图2 蓝光发光二极体成长在氮化镓基板之发光层TEM剖面图

图3 (0002)面之MQW on蓝宝石和GaN基板之XRD分析图

       接着，制作15密尔(mil)×15密尔传统mesa-type元件，在200毫安培(mA)电流量测下(图4)，当GaN on Sapphire之量子井厚度超过6奈米，LED效能下降的非常快，而GaN on GaN LED仅些微下降，这代表着可以利用厚的量子井结构来提升量子井里的单位载子密度，有助于降低Auger效应，提升大电流下的LED效能。再者，从不同发光层对数搭配不同量子井厚度实验中，亦可发现此现象(图5)，如GaN on Sapphire的总量子井厚度存在一上限值，当超过此数值时LED效率将会下降，反观GaN on GaN效能仍可以维持一定值之效率。

图4 不同量子井厚度于蓝宝石和GaN基板上之LED效率图

图5 不同量子井之对数和厚度于蓝宝石和GaN基板上之LED效能图

       属同质生产材料　GaN on GaN避免极化场效应

       传统GaN on Sapphire除晶格不匹配所造成的缺陷以外，还存在着晶格不匹配所引起的极化场效应，反观GaN on GaN是属于同质成长的材料，可降低晶格常数不匹配所引起的极化场效应，改善量子效率下降之问题，图6可发现到生长GaN on Sapphire和GaN on GaN上的E2(High)之值在569.52奈米和567.16奈米，其中GaN on Sapphire上较大的数值是因为残留的压应力所造成;而GaN on GaN上的数值与单纯GaN基板相同，代表着并无应力存在GaN磊晶薄膜里。

图6 拉曼分析图

       图7为波长对于不同电流注入之曲线图，当注入电流增加时候会造成遮蔽效应(SCREEn Effect)，在1~50mA量测电流下，LED on Sapphire蓝移约3nm;LED on GaN则蓝移约0.8nm，较小的蓝移代表着LED on GaN存在较小的QCSE(Quantum-confined Stark Effect)效应，从图8模拟结果也可看出较小的QCSE效应可有效降低电子溢流行为发生。

图7 不同电流下之EL波长位移量测图

图8 电子电流密度模拟曲线图

       图9为相对外部量子效率对于电流注入曲线图，在连续电流注入下，LED on GaN的峰值会出现在20?40mA下，之后随着电流上升而开始下降;LED on Sapphire的峰值则小于20mA，随着电流上升而快速下降。在300mA电流下，LED on Sapphire和LED on GaN的外部量子效率对于峰值为56%和73%，较大的LED on GaN的峰值是因为较佳的材料品质所造成;在300mA电流下，LED on GaN有38%的提升是因为材料品质提升和较小的极化场效应所造成。

图9 LED on sapphire和LED on GaN在连续电流和脉冲电流下之相对外部量子效率量测图

       而在脉冲量测模式下，LEDonGaN的特性并无太大差异，去除掉热效应可提升300mA电流下之效能达76%;而LED on Sapphire却只有12%提升，这也意味着LED on Sapphire存在较严重的热效应，当使用脉冲量测情况下，忽略热效应的影响因此提升LED on Sapphire之效率，这也代表着GaN基板本身除了高品质和同质成长之优点，更有高散热系数之优点可在大电流下操作。

       可做为N型导电基板　GaN on GaN利于制作垂直结构

       GaN on GaN有着极大的优点在于其基板本身可为N型导电基板，有利于制作垂直型结构，省略传统在蓝宝石基板上制作垂直型结构时所要用到的雷射剥离制程，可避免制程繁琐、机台昂贵且良率不高之缺点;再者，氮化镓基板背面为N-face面，可利用湿蚀刻制程简单制作出角锥结构，以提升光萃取率，此制程对于氮化镓基板效率提升来说相当的重要。

       由于基板本身的背景掺杂浓度关系，在可见光部分透光率无法达到100%，加上氮化镓材料与空气间的折射系数差异，造成大部分的光都以全反射方式跑回材料本身，无法有效萃取出来，因此将氮化镓基板N-face表面制作出几何图案，将有助于提升LED发光效率。

       图10为不同蚀刻时间对于氮化镓N-face表面蚀刻情形，当蚀刻时间越久所造成的角锥大小将会越大，且密度越低。图11为室温EL量测图和电压和效率曲线图，ST-LED和RB-LED为不使用和使用湿蚀刻制程之样品，LEDI和LEDII为405nm和450nm之发光波长，当使用湿蚀刻制程于氮化镓基板上，可提升光萃取率并进一步提升LED效率，此效应在短波长特别的显著，在20mA电流下，近紫外光和蓝光整体提升的幅度为94%和21%。

图10 (a)未蚀刻、蚀刻、(b)1min、(c)5min、(d)10min、(e)30min和(f)60min之氮化镓基板N-face表面之SEM量测图

图11 (a)室温EL量测图和(b)LED光电特性量测图

       n-pad金属制作于基板　GaN on GaN缩短磊晶时间

       除上述所提到的GaN on GaN的高效率的表现之外，另一大的优点为磊晶时间上的缩短。传统上，磊晶生长LED on Sapphire上，往往需要基板烘烤的时间、低温缓冲层及厚度4微米以上的GaN磊晶薄膜生长时间，整体的升降温和成长时间约需2.5?3.5小时;反观LED on GaN，可直接将n-pad金属制作于氮化镓基板上，因此只要直接生长所需要的量子井层即可(图12)，不管是mesa-type、覆晶型或着垂直型皆相同，也因此，不须生长厚的氮化镓磊晶薄膜，在腔体成长完后，所进行的烘烤时间和腔体维护成本上，都有大幅度的下降。

图12 LED on sapphire(左)与LED on GaN(右)结构示意图

       尽管GaN on GaN拥有相当多的优点，但目前仍受限于基板价格过于昂贵之缺点，导致无法大量的商品化及垫高厂商的进入门槛，因此整体市场的切入时机点，将取决于上游基板厂商价格下降速度。所幸，受惠于各家基板厂商技术上的突破，越来越多厂商有能力制作和提供氮化镓基板，GaN on GaN的时间将会更提早的来临。

       就技术上来看，LED on Sapphire已发展10年以上，累积相当多的经验和结构，且都已有众多商品化产品推出，反观GaN on GaN仍在实验室的阶段，在未来商品化的过程中，仍有许多瓶颈须克服，就技术而言，包含铝和铟溶入率、矽和镁掺杂活化率;各磊晶层对应基板缺陷和极化场降低所导致的结构上改变;基板N型掺杂对于Ga-face和N-face欧姆接触问题;以及基板本身残留的内应力所导致晶粒研磨和切割问题等，仍须研究团队投入心血去解决。

       GaN on GaN发展潜力十足

       目前工研院已成功建立高温常压磊晶机台，更已在GaN on GaN技术上深耕多年，从早期的HVPE氮化镓基板成长到目前的蓝紫光LED磊晶技术，技术面皆已突破现今GaN on Sapphire之效率。在未来，就成本面观之，透过缩短磊晶和烘烤腔体的时间、降低腔体维护成本、可大电流操作之优势和垂直型结构之制作成本等，搭配氮化镓基板成本下降之趋势，GaN on GaN将是一个深具潜力的明日之星。