波長250～350nm半導體紫外LD與紫外LED（Ultraviolet Light Emitting

Diodes）的應用備受期待。(圖一)是有關紫外LED與LD的應用市場發展藍圖（road

map），其中紫外LD的白光照明、殺菌、醫療、生化領域應用，可望開拓龐大

的市場規模。

主要原因是紫外LED激發，可以獲得高演色性白光照明，而且它得驅動電路非

常單純，一般認為紫外LED未來可望成為白光LED照明的主要光源。至於高密

度光資料儲存用光源與化學產業的應用，同樣備受全球高度期待，接著本文要探

討紫外LD與LED的技術動向。

《圖一　紫外LED與LD的應用》

發展經緯

如(圖二)是氮化物半導體的結晶格子定數與能隙（band gap），以及各紫

外氣體雷射的波長關係，由圖可知AlGaN具備3.46.2～eV紫外直接遷移發光波

長範圍，它幾乎含蓋所有氣體雷射的波長。

氮化物半導體材料具備以下特徵:

因此經常被當作紫外發光元件的材料使用。最近幾年紫外LED與LD不斷

朝短波長化、高效率化方向發展，(圖三)是氮化物UV-LED室溫動作時的外部量

子效率，由圖可知目前藍光LED的外部量子效率已經超過40％，波長365nm InGaN 系紫外LED，也達成1W高輸出目標，它的外部量子效率室溫CW動作時為26％，脈衝動作時為44％，不過波長低於360nm時，發光效率會急遽下降只有數％左右。

造成發光效率下降主要原因分別如下:

為實現波長比360nm更短的高效率氮化物發光元件，目前相關業者正開發全新的AlGaN元件技術取，試圖代傳統GaN /InGaN系術技術。

《圖二　氮化物半導體的結晶格子定數與能隙，以及各紫外氣體雷射的波長關係》

《圖三　氮化物UV-LED室溫動作時的外部量子效率》

在藍寶石基板上製作AlGaN緩衝層時，貫穿轉位密度高達109～1010 cm-2，如果在緩衝層上面製作AlGaN量子層，不易獲得高效率發光，換句話說製作AlGaN系發光層的紫外高效率LED時，必需將穿轉位密度抑制在1x107cm-2左右。

一般認為利用AlN單結晶基板或是ELO（Epitaxial Lateral Overgrowth）方法，製成高品質、低貫穿轉位密度AlGaN 緩衝層非常有效，不過這種方式卻有製作成本暴增之虞，它對紫外LD的重要性反而大於量產型紫外LED。

基於廣泛應用性考慮，實現低價、量產、高效率紫外LED，現階段即使AlGaN有貫穿轉位密度問題，不過它仍舊是紫外LED常用的發光材料，例如InAlGaN 4元混晶含有Al成份的寬能隙（wide band gap），根據研究報告顯示隨著高品質InAlGaN混晶的製作條件、量子井結構的不同，可以獲得280～380nm紫外高輝度發光，即使高貫穿轉位密度，同樣可以獲得40％以上的內部量子效率，製成波長305～370nm紫外LED。

波長為350nm的紫外LED，如果使用AlGaN可以獲得非常高的內部量子效率，由此可知InAlGaN對實現波長280～380nm量產型、高效率紫外LED具有決定性的影響。

氮化物LED短波長化時，會面臨不易實現p型AlGaN等問題，尤其是p型AlGaN的Al組成比一旦變高，acceptor的活性化能量也會隨著提高，其結果造成不易獲得高濃度p型化，雖然目前Al組成30～40％左右的Mg Dope AlGaN可以獲得p型化，不過更高的Al組成量測上非常困難。

低電洞（hole）濃度時，朝p型的電子溢流（overflow）會增加，朝發光層的電子效率則大幅降低，由於p層變成高阻抗導致sample過熱導致發光效率降低。

高品質AlGaN AlN / Template的製作技術

製作波長360nm以下紫外LED時，為避免紫外吸收造成輸出損失，大多採用無GaN結構，此時高品質藍寶石/AlN模板（Template），成為製作紫外LED重要元件。

雖然在藍寶石基板上可以製作低溫長膜AlN（Low Temperature- AlN ；LT-AIN）中間層與AlGaN緩衝層，不過最近研究結果顯示，使用高溫長膜AlN（High Temperature- AlN ；HT-AIN）進行XRC評鑑時，可以製作高品質緩衝層。因此研究人員在HT- AlN上方製作InAlGaN 4元混晶量子井與LED結構，依此進行特性評鑑。

上述結晶長膜使用臥式MOCVD與TMG、TMAl、TMIn Adduct等材料，AlGaN、InAlGaN的長膜溫度分別是1080～1150℃與780～880℃時，長膜速度大約是2μm/hour與0.12μm/hour。

根據以上條件依序在藍寶石（0001）（off角0.15度）製作0. 6μHT-AlN，接著在它的上方製作Si dope 2段AlGaN緩衝層（AI0.36Ga0.64N為1.3μm，AI0.2Ga0.8N為2μm )當作模板。

HT-AlN的長膜溫度為1270℃，長膜速度大約是4μm/hour，在模板上方製作Si dope Al0.2 Ga0.8N緩衝層1. 0μm之後，進行undoped InAlGaN緩衝層60nm，最後在它的上方製作InAlGaN量子井層，或是LED結構進行長膜評鑑。

如(圖四)是藍寶石基板上使HT-AlN長膜2.0μm時的AFM照片，根據照片顯示它可以獲得比較平坦的表面，以5×5μm大小進行AFM觀察時的RMS值大約是0.24nm，除此之外它還可以觀察到原子step。

如(圖五)是藍寶石/AlN模板的X線繞射（002）與（102）ω掃描同步曲線特性，由圖可知最小半值幅為（002）與（102）時，可以獲得36arcsec與1420arcsec等俯仰（tilt）成份非常良好的結果，至於扭轉（twist）成份今後必需透過長膜條件改善。

HT-AlN上方製作2段AlGaN緩衝層（第二段）的X線繞射（002）與（102)ω掃描同步曲線（scan locking curb）的半值幅大約是140arcsec與1410arcsec左右，它比以往LT-AlN上方的AlGaN緩衝層大幅改善，研究人員一致認為HT-AlN上方AlGaN對稱性（102）半值幅，在AlGaN的長膜條件的改善，可以獲得600arcsec的結果。

《圖四　藍寶石基板上HT-AlN的AFM照片》

《圖五　藍寶石/AIN模板的X線繞射（002）與（102）ω掃描同步曲線特性》

如(圖六)是藍寶石/HT-AIN模板上製作InGaN量子井LED的斷面TEM照片，依此評鑑螺旋轉位加上混合轉位密度大約是7×108cm-2左右，若與使用LT-AlN與HT-AlN的情況比較，AlGaN緩衝層的貫穿轉位密度減少數倍以上。

依此證實使用HT-AlN模板，可以使InAlGaN 4元混晶量子井的發光強度增加三倍左右，而且更容易獲得Mg dope AlGaN層的p型化。

《圖六　藍寶石/HT-AIN模板上製成的InGaN量子井LED斷面TEM照片》

高效率紫外發光InAlGaN 4元混晶量子井技術

AlGaN混入數％的In造成貫穿轉位密度變高時，即使在室溫環境依舊可

以獲得紫外高發光效率，一般認為添加In的動作機制是透過In的組成變調，使電

子與電洞局部化（Localization），加上轉位結晶trap前發光再結合，因此即使轉

位密度變高，也能夠獲得高發光效率。

圖7是改變各材料的組成製成的InAlGaN 4元混晶，與InGaN量子井室溫時的發光（Photo Luminescence；PL）頻譜特性；(表一)是圖七(a)的InAlGaN與InGaN量子井的結構參數。

室溫時InAlGaN量子井會強發光，在280～380nm寬廣的紫外波長範圍，可以獲得高輝度發光，尤其是在320～350nm附近，它與InGaN 量子井產生的藍色發光效率幾乎相同，值得一提的是上述量子井與1×1010cm-2高貫穿轉位密度無關，在室溫同樣能夠高輝度發光。

《圖七　InAlGaN與InGaN量子井室溫時的PL頻譜特性》

InAlGaN 4元混晶的In組成變調，可以透過陽極發光（Cathode Lumines

cence；CL）影像的發光空間性搖晃觀察，此外根據PL強度的溫度特性觀測，得知InAlGaN與InGaN量子井的PL強度，在室溫下反而比GaN與AlGaN量子井高1～2位數。

為達成高內部量子效率，研究人員在高品質AlGaN/AlN模板上製作InAlGaN 4元混晶量子井結構，利用RBS方法量測InAlGaN的In與Al組成，其結果分別如下：

上述量子井與阻礙層的寬度分別是2.5nm與7.0nm。(圖八)是測試溫度從18K變化至290K時，InAlGaN量子井的PL頻譜特性，如圖所示室溫時峰值波長為338nm，激發光源使用波長為257nm的Ar-SHG（Second Harmonics Generation）雷射，以500W/cm2激發電力密度進行量測，根據測試結果顯示從低溫一直到室溫，InAlGaN量子井可以維持338nm單一峰值特性。

《圖八　測試溫度從18K變化至290K時，InAlGaN量子井的PL頻譜特性》

如(圖九)是將圖八的頻譜積分後獲得的InAlGaN量子井發光積分強度－溫度特性，由圖可知在100K以下的低溫領域，發光積分強度幾乎維持一定，從低溫變成室溫時，發光積分強度會降低50％，此處假設低溫時的發光再結合率大於非發光再結合率，依此推測室溫時的內部量子效率大約是47％。

由於上述實驗是以實際LED動作時的效率估算為主要考量，因此激發光強度使用較高數據進行內部量子效率評鑑。

《圖九　InAlGaN量子井的發光積分強度溫度特性》

如(圖十)是波長低於280nm，以短波發光的InAlGaN量子井室溫發光（PL）頻譜特性，如圖所示波長低於300nm的短波，隨著AL組成比的增加，會促進TMAl與氨的氣相反應，其結果造成長膜條件的設定更加困難。

最近研究人員發現控制長膜壓力與流速，即使波長低於280nm的短波，也能夠

作室溫高輝度發光，以(圖十)為例它使用比一般更快的流速，同時改變長膜壓力

製作量子井時，反而比使用減壓方式（高流速）更容易獲得波長267nm的室溫發

光。

《圖十　InAlGaN量子井的室溫PL發光頻譜》

如(圖十一)是以波長265～338nm發光的InAlGaN量子井，估算的內部量子效率，黑圈是利用裡研的MOCVD設備，在HT-AlN/AlGaN上方製作的InAlGaN量子井內部量子效率，如圖所示波長338nm時為47％；白圈是利太陽日酸的MOCVD（SR-4000）設備，在藍寶石/GaN模板上方製作的InAlGaN量子井值。

SR-4000是藍光LED、LD量產用MOCVD，它可同時使三片2吋基板，或是一片4吋基板長膜。如(圖十一)所示使用SR-4000在2吋基板上製作InAlGaN量子井，可以獲得波長為336nm紫外高效率發光，它的內部量子效率幾乎與利用SR-4000製作的InGaN量子井相同。

根據上述實驗證實2吋基板能夠獲得均勻的量子井，這意味著今後InAlGaN紫外LD、LED，也可以順利進入量產階段。綜合以上結果，研究人員一致認為InAlGaN 4元混晶量子井，對波長為280～380nm的紫外發光元件非常有幫助。

《圖十一　InAlGaN量子井的推估內部量子效率》

Al組成比30％左右Mg doped AlGaN，由於acceptor的活性化能量高達300meV

，電洞的活性化率則低至1％以下，因此不易獲得p型AlGaN。(圖十二)是量測Mg

doped AlGaN的Al組成比與電洞效果，獲得的電洞濃度特性，雖然透過最佳化

長膜條件，Al組成比32％左右的Mg doped AlGaN，可以獲得2 ×1018cm-3的電洞濃度，不過根據研究報告顯示，到目前為止Al組成比超過40％以上，還無法獲得2×1017cm-3的電洞濃度。

雖然高Al組成的P型AlGaN是製作短波長氮化物發光元件不可或缺的技術，不過至今尚未找到達成高Al組成、高電洞濃度有效對策方案。

研究人員曾經嘗試利用Mg doped AlGaN 超格子或是交互氣體供應法，製作Mg doped AlGaN 以及共摻雜（Co-Doping），不過始終無法獲得令人滿意的效果，因此未來必需開發高Al組成的p型AlGaN 技術。

《圖十二　Mg doped AlGaN的Al組成與電洞濃度關係》

如(圖十三)是波長310nm、InAlGaN發光層紫外LED的結構與動作頻譜，LED的具體結構依序在藍寶石基板上製作；

上述p-AlGaN層使用交互氣體供應法長膜，它在高注入電流領域，可以獲得接近單峰值的發光。波長為308nm與314nm時的紫外LED輸出，分別是0.4mW與0.8mW，雖然目前該LED的外部量子效率只有0.1％，不過研究人員認為今後透過p層高濃度化與量子井發光層的設計，可望提高LED的外部量子效率。

《圖十三　InAlGaN發光層波長310nm紫外LED的結構與動作頻譜》

如(圖十四)是為去除貫穿轉位的影響實現高效率LED，研究人員在GaN基

板上製作的InGaN量子井結構LED，與該LED的發光特徵；(圖十五)是該LED的

室溫CW頻譜與V-1特性。

《圖十四　GaN基板上的InGaN量子井LED結構與發光特徵》

《圖十五　GaN基板上的InGaN量子井LED的室溫CW頻譜與V-I特性》

上述LED製作步驟是依序在GaN基板上製作：

接著在LED的表面製作Ni /Au半透明電極，在LED的背面製作Ti /Au電極。除此之外研究人員還利用Al組成18％的p-AlGaN bulk層取代AlGaN/AlGaN超格子層試作LED。

上述LED的基板使用住友開發的GaN基板（貫穿轉位密度低於1×106cm-2 ），LED的發光波長為352nm，發光半值幅為9nm，注入100mA時的施加電壓大約是4.4V左右。

如(圖十六)是上述LED的電流-光輸出( L I - )特性與外部量子效率，如圖所示注入400mA時的最大輸出大約是7.4mW左右；使用AlGaN AlGaN / 超格子層的LED，注入100mA時的最大輸出大約是3.9mW左右，該輸出值比GaN基板上製作AlGaN量子井，波長為350nm的LED，注入100mA時3.9mW最大輸出更高，至於外部量子效率，波長350nm的表面出射型LED，最高值大約是1.1％。

InAlGaN 4元混晶LED若與AlGaN系LED比較，前者的效率反而更優秀，依此再度證實即使高貫穿轉位密度，在GaN基板上製成的AlGaN系LED，同樣可以獲很高的外部量子效率。

《圖十六 GaN基板上的InGaN量子井LED電流之光輸出（I-L）特性與外部量子效率》

上述LED的外部量子效率只有1.1％，主要原因是GaN層的紫外光吸收，使得光取出效率降低，加上p-AlGaN的電洞濃度很低，與電子溢流、元件加熱都會造成效率降低。

一般認為今後AlN/AlGaN高品質緩衝層的導入，利用散熱鰭片的晶粒固定（die bonding），以及藍寶石lift-off構成的縱型注入結構的導入，高效率元件與紫外光取出效率的改善，LED的外部量子效率可望獲得大幅提升。

結語

InAlGaN 4元混晶利用In混入效果，在280～380nm波長範圍可以獲得室溫高輝度發光。高品質GaN系基板的紫外LED，在350nm波長範圍可以獲得7.4mW室溫高輝度發

光，並實現上方出射350nm波長LED最高外部量子效率，依此證實InAlGaN系發光

層比AlGaN更優秀。由於InAlGaN即使高轉位密度，也能夠作高輝度發光，這意

味著量產型、低價紫外LED的發光層具備高利用價值。

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