技术洞察－突破InGaN缺陷障碍　积极应用不均匀的结晶结构

技术洞察－突破InGaN缺陷障碍　积极应用不均匀的结晶结构

　　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