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)与碳化矽(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
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)与碳化矽(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
- 1.jpg
回复数 6
切换时间排序
需登录后查阅, 加载中......
