前言 ：GaN(氮化鎵)系藍紫色發(fā)光組件可應(yīng)用于新世代DVD，因此備受相關(guān)業(yè)者高度期待，此外利用led高輝度、省能源的發(fā)光特性，藍紫色發(fā)光組件未來還可取代傳統(tǒng)的白炙燈、熒光燈，成為白光照明燈源的主流。氮化鎵的格子缺陷很多卻能夠產(chǎn)生高輝度，主要原因是藉由奈米 技術(shù)控制組件結(jié)構(gòu)，使得組件的發(fā)光效率得以提高，進而獲得高輝度。因此本文要深入探討氮化鎵發(fā)光的奧秘，與提高發(fā)光效率的方法。
白色發(fā)光二極管
利用GaN(氮化鎵)系半導(dǎo)體的白色發(fā)光二極管，做為新世代固態(tài)照明燈源是歷經(jīng)無數(shù)的轉(zhuǎn)折，十年前包含產(chǎn)官學(xué)研界幾乎未曾將半導(dǎo)體白色發(fā)光二極管納入考量，雖然有很多研究人員非常關(guān)心藍光led的發(fā)展，卻都無視白光LED的應(yīng)用潛能。
97年利用藍光LED激發(fā)黃色熒光體(YAG；釔、鋁、石榴石、鈰的混合物)，再透過藍色與黃色熒光體的互補特性，產(chǎn)生二色式擬似白光的LED正式進入量產(chǎn)，加上行動電話的應(yīng)用促成白光LED全面性的普及，使得白光LED成為全球性的研究主流。
由于白光LED不需使用熒光燈常用的玻璃管、惰性氣體、水銀、變壓器、升壓器，所以可以大幅節(jié)省能源，取代熒光燈與白炙燈除了可節(jié)省能源之外，廢棄物的減少對地球環(huán)保也有莫大的助益。
97年日本通產(chǎn)省根據(jù)京都環(huán)保會議的省能源對策決議，組成「21世紀(jì)光源計劃小組」，并委托日亞化學(xué)與豐田合成進行技術(shù)開發(fā)，該計劃小組將近紫外LED的外部量子效率(以下簡稱為取光效率)目標(biāo)定為40%，當(dāng)時藍光LED的取光效率為15%，紫外LED的取光效率祇有7.5%，目前紫外LED的取光效率則已經(jīng)超過31%，也因此使的高性能白光LED的量產(chǎn)誘因更加扎實，而21世紀(jì)光源計劃小組對全球白光LED的研究開發(fā)在提高取光效率的研發(fā)上扮演著更重要的角色。
有關(guān)格子缺陷
有關(guān)LED的基本動作原理，具體而言是電流順時鐘方向通過半導(dǎo)體p-n(正孔與電子)接合面時，正孔與電子會注入奈米級厚度的活性層(亦稱為發(fā)光層)，進而因輻射再結(jié)合過程(process)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。
利用混晶(亦稱化合物為半導(dǎo)體)InGaN產(chǎn)生高輝度藍光或是綠光的LED雖然已經(jīng)進入商品化，可是有關(guān)發(fā)光機制傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物性物理學(xué)理，卻無法具體說明因原因而屢遭質(zhì)疑。其實不論是LED或是半導(dǎo)體雷射LD等發(fā)光組件(device)，通常都具有 以上的格子缺陷，格子缺陷會阻礙發(fā)光，形成所謂的「發(fā)光殺手中心」，最后導(dǎo)致發(fā)光效率降低等問題。
以GaN為基礎(chǔ)的InGaN/GaN量子井QW型LED，含量109~1010/cm2 左右高密度格子缺陷，按照傳統(tǒng)理論，如此高密度格子缺陷照理說不會發(fā)光，實際上InGaN/GaN系LED卻能作高效率發(fā)光，換句話說InGaN系LED具有與以往LED相異的發(fā)光機制。 InxGa1-xN是由InN與GaN所構(gòu)成的三維化合物半導(dǎo)體，GaN層屬于近紫外LED活性層，因此適合使用光學(xué)評鑒方式研究。如表1所示GaAs、ZnSe等常用的Ⅲ-Ⅴ(三五族)、Ⅱ-Ⅵ(二六族) 化合物半導(dǎo)體與GaN最大差異點，是GaN氮化物半導(dǎo)體的縱光學(xué)(LLongitudinal Optical；以下簡稱為LO)與音子(phonon；格子波的量子)的能量(ħ ω =h/2π，h為膜厚plank常數(shù))大于92.5 ，因此電子與LO相互作用的能量( αe ħ也隨著變大，兩者互動值往往超過44.2 (表1的 αe 為Frohlich結(jié)合常數(shù)，ω為音子的振動數(shù))，導(dǎo)致被激發(fā)的載子(carrier；電子與正孔)會與LO產(chǎn)生強烈的互動，如圖1所示被結(jié)晶格子捕獲的電子變重(稱為polaroon狀態(tài))形成自我束縛狀，最后造成載子祇能在極短距離內(nèi)移動，而電子則成為自由電子般的漂流。
另一方面正孔也形成polaroon自我束縛狀，加上In原子與Ga原子的電氣陰性度的差，尤其是In原子周圍短距離型電位(potential)，有可能產(chǎn)生強大的正孔捕捉。類似上述的電子與正孔的挶限化，會在奈米以下的原子大小范圍內(nèi)產(chǎn)生，這種現(xiàn)象可視為InGaN化合物半導(dǎo)體的固有性質(zhì)，換句話說注入發(fā)光組件活性層的載子，由于上述的捕捉效應(yīng)被空間性的挶限，到達「發(fā)光殺手(killer)中心」的比率則相對的偏低，所以即使InGaN/GaN等化合物半導(dǎo)體具有大量的轉(zhuǎn)位格子缺陷，仍舊可作高效率的發(fā)光。
除了以上介紹的模式之外，會發(fā)光的理由是因為In特異性質(zhì)產(chǎn)生下列兩種模式:
1.GaN活性層的In組成不均，使得黏著電位(coherent potential)動搖，造成激發(fā)子產(chǎn)生挶限現(xiàn)象。
2.存于InGaN活性層非常微細的In高濃度領(lǐng)域(亦即量子點) 激發(fā)子產(chǎn)生挶限現(xiàn)象。
上述其中的任一種模式的激發(fā)子挶限現(xiàn)象賦與高效率發(fā)光特性，乃是很常識性的想法。不過第1.項模式卻無法說明發(fā)光與激發(fā)頻譜所產(chǎn)生的storks shift，以及它的溫度依存性發(fā)生原因，也就是說1.與2.的模式祇能解釋發(fā)光現(xiàn)象是挶限激發(fā)子所造成的。
降低格子缺陷提高效率
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