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技术洞察-突破InGaN缺陷障碍 积极应用不均匀的结晶结构

LED之家  于2009-01-18 00:06:41  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=1024

文章摘要:技术洞察-突破InGaN缺陷障碍 积极应用不均匀的结晶结构2006年10月9日  目前应用于蓝光LED、DVD雷射上的InGaN,因为没有适合结晶的基板,所以与GaAs等传统的LED材料相比,存在着几乎差100万倍以上的结构缺陷问题,例如不完全结晶、有缺损等等。因此,从一般认知上来说,这是不可能成为

技术洞察-突破InGaN缺陷障碍 积极应用不均匀的结晶结构

2006年10月9日

  目前应用于蓝光LED、DVD雷射上的InGaN,因为没有适合结晶的基板,所以与GaAs等传统的LED材料相比,存在着几乎差100万倍以上的结构缺 陷问题,例如不完全结晶、有缺损等等。因此,从一般认知上来说,这是不可能成为发光材料的。尽管如此,因为InGaN能够发出高亮度的光,是可以被广泛应 用于显示、照明、光储存产品等方面,相信在2008年将会成为了半导体发光产品市场的生力军,预测市场规模将会达到1兆日元以上。

  但是InGaN为什么会具有很好的发光能力,这一点在此之前一直都没人能够解答。所以筑波大学的秩父重英、上殿明良助教授等人,和独立行政法人科学技术振兴机构的研究小组,同心协力进行了这一方面的研究,他们利用脉冲雷射,在千亿分之一秒的超短时间内,利用电子反物质「阳电子」对结晶里的电洞的变化,进行发光测量,结果显示,发现InGaN具有很好的发光能力的原因是,因为在含有In的氮化物半导体中,电洞被由In和氮原子组成的集团(局部效应)有效的捕获,能量没有转化成热,而是有效的转化成了光。

  这种现象,不仅适用于AlInN、AlInGaN等材料,甚至其它的发光材料也一样,如果显示出同样的特性,就可以期待能够把「原子大小的不均等结晶」积极应用到各种发光产品上。未来将计划推相关的测量技术,探索其它材料的不均一结晶的广泛应用。

  ■为什么缺点那么多却还可以发光?

  自从把AlInN的量子井运用到发光部分,而开发出蓝色、绿色LED以来,显示组件、讯号设备、照明、光储存产品等,在2008年成为了半导体发光组件市场的主力,预计2008年以后,将会发展到每年1兆日元以上的规模。

  由于InGaN结晶没有单结晶成长的磊晶基板,所以相对来说会比便宜、耐高温的蓝宝石更广泛应用于其它的基板。不过也因为如此,和传统的钾砷等LED材料 相比,也存在着非常多的缺点。因为这些结构缺点和原子的缺陷,电子和电洞在没有发光就被撷取了,在二者接合(再接合)时的能量,就会变成热释放出来,所以 GaN、InGaN从基本上来说,几乎不可能作为发光组件的材料。实际上,虽然缺点很多的GaN在室温条件下根本不发光。但是,InGaN却可以高亮度发 光,所以大部分的发光产品渐渐开始使用InGaN。尽管如此,「为什么缺点那么多却还可以发光?」,关于这一点,到目前为止业界还没有明确的解答。

  半导体LED 的发光率取决于下面两者之间的平衡,一是作为光源的电洞和电子的发光(发光再结合的寿命),一是由于缺陷不能产生光最终转化成热(非发光再结合的寿命)。当前者短,后者长的情况下,发光率增大。缺陷的量如果太大很容易发生非发光再结合,这会导致后者变短,而降低发光率。例如说,如图一所示,传统的LED材 料GaAs和GaP,当缺陷的量达到一平方公分1万个~10万个的时候,就完全不会发光。即使是GaN,当缺陷的量超过100万个的时候,也不会发光。但 是,InGaN却不同,即使是每平方公分缺陷有1亿~10亿个,还是会出现相对比较高的发光率,这个不可思议的现象吸引了很多半导体研究专家的兴趣。

▲图一:LED发光效率和缺陷关系。(资料来源:日本国立筑波大学、独立行政法人科学技术振兴机构)

  ■发光效率和In的关系

  筑波大学和独立行政法人科学技术振兴机构,首先在零下260度到室温的条件下,对GaN结晶、InGaN混晶以及AlGaN结晶进行了系统性的「发光测量」,也就是对吸收半导体能 量的光,发生激励而产生电子和电洞,然后依靠由于电子和电洞的再结合,而发出的光的波长、强度进行的测量,因此经过测量后得出了以下的结论,在室温条件下电子和电洞的光转换率(内部量子效率)是随组成的不同变化的,也就是缺陷的密度大约相同的时候,在GaN里添加了AlN的AlGaN混晶的内部量子效率很 低,添加了InN的InGaN混晶随着In的量的增加,内部量子效率也会随之提高。这一结果可以得出这样一种结论,就是说,InGaN之所以可以在有很多 缺陷的情况下仍然可以很好发光,是和In原子有关。[Page]

  ■发光再结合寿命 非发光再结合寿命和混晶的组成的关系

  为了研究出前述得出的结果,需要了解在电子和电洞变成光的平均时间,和变成热的平均时间的大小变化下是如何变化的?所以对GaN、InGaN混晶进行了「时间分解发光测量」。在点灯时间仅有十兆分之一秒的脉冲雷射的半导体薄 膜上,瞬间产生激励出的电子和电洞,电子和电洞再结合的时候,所发的光用千亿分之一秒的时间来测量分解能,从这个结果可以看出,InGaN结晶与GaN相 比,「发光再结合」所花的时间较短(也就是容易发光),「非发光再结合」所花的时间较长(较会产生热的现象)。可以看出,随着InGaN里的InN的量, 而出现显著的结果。因此,在GaN中混加InN,电子和电洞更容易转换成光。

  ■电子和电洞可以活动的距离 和有无In之间的关系

  另外,对GaN和InGaN的半导体中注入电子,采用空间分解电极发光测量,可以计算出电子的移动距离,而这样的实验结果显示,与GaN相比,InGaN混晶的电子和电洞可移动距离较短。

  ■阳电子可以活动的距离和In有无之间的关系

  把电子的反物质(阳电子)放入试验品中,当它和电子相互消灭的时候,所发出的伽马射线,利用低速阳电子消灭测量的方法,可以发现捕获、散射点缺陷和阳电子的原子配列中混乱的区域,根据实验的结果,发现InGaN与GaN相比,成为非发光再结合的点缺陷比较多,而且阳电子可以移动的距离,最大也不过只有 4nm以下,这可以说,几乎是不动的。

  因此可以说,GaN的缺陷增多的话,试验品中的阳电子扩散距离就会变得较短,所以非发光再结合的 寿命也就会跟着变短,使得电子和电洞会很容易变成热能。但是,如果使用横向生长的特殊技术,来减少缺陷的话,可以让阳电子的扩散距离变长,使得非发光再结合的寿命随之增加。另外,因为AlGaN混晶的缺陷比GaN多,阳电子的扩散距离也比GaN短,这样很容易发生非发光再结合。另一方面,虽然InGaN的 缺陷比GaN多,阳电子的扩散距离比GaN短,但是非发光再结合的寿命很长,也就是说,不太会发生非发光再结合的现象。

  阳电子是具有电子和相反为带正电荷的粒子,所以和电洞一样,会受到周围电场的影响。因此InGaN中的电子和电洞不活动的原因,并不能解释为被缺陷所影响,真正的原因应该是,电洞被其它的有助于发光的效应提前捕获了。也就是说如果增加In量,发光再结合这样的现象就会变得容易,非发光再结合就会变难。而且励起的电子和电洞被捕获、发光的局部效应的大小是在原子数个程度的大小之下的。

  总而言之,我们可以了解到把InGaN应用到蓝色、绿色LED,虽然有很多结构缺陷,但却能够发出高亮度的光。其原因是,被电洞形成的原子和In-N会出现局部效应,所以很不容易因为缺陷带来影响,与带有负电荷的电子再结合时,所产生的能量可以有效的转化成光,而不会转化成热(图二)。

▲图二:由正洞形成的原子数个程度大小的In-N聚集的部份所捕获,与有负电荷的电子再结合时,产生的能量有效的转化成光。(资料来源:日本国立筑波大学、独立行政法人科学技术振兴机构)

来源:中国半导体照明网


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