波长250～350nm半导体紫外LD与紫外LED（Ultraviolet Light Emitting

Diodes）的应用备受期待。(图一)是有关紫外LED与LD的应用市场发展蓝图（road

map），其中紫外LD的白光照明、杀菌、医疗、生化领域应用，可望开拓庞大

的市场规模。

主要原因是紫外LED激发，可以获得高演色性白光照明，而且它得驱动电路非

常单纯，一般认为紫外LED未来可望成为白光LED照明的主要光源。至于高密

度光数据储存用光源与化学产业的应用，同样备受全球高度期待，接着本文要探

讨紫外LD与LED的技术动向。

《图一 紫外LED与LD的应用》

发展经纬

如(图二)是氮化物半导体的结晶格子定数与能隙（band gap），以及各紫

外气体雷射的波长关系，由图可知AlGaN具备3.46.2～eV紫外直接迁移发光波

长范围，它几乎含盖所有气体雷射的波长。

氮化物半导体材料具备以下特征:

因此经常被当作紫外发光组件的材料使用。最近几年紫外LED与LD不断

朝短波长化、高效率化方向发展，(图三)是氮化物UV-LED室温动作时的外部量

子效率，由图可知目前蓝光LED的外部量子效率已经超过40％，波长365nm InGaN 系紫外LED，也达成1W高输出目标，它的外部量子效率室温CW动作时为26％，脉冲动作时为44％，不过波长低于360nm时，发光效率会急遽下降只有数％左右。

造成发光效率下降主要原因分别如下:

为实现波长比360nm更短的高效率氮化物发光组件，目前相关业者正开发全新的AlGaN组件技术取，试图代传统GaN /InGaN系术技术。

《图二 氮化物半导体的结晶格子定数与能隙，以及各紫外气体雷射的波长关系》

《图三 氮化物UV-LED室温动作时的外部量子效率》

在蓝宝石基板上制作AlGaN缓冲层时，贯穿转位密度高达109～1010 cm-2，如果在缓冲层上面制作AlGaN量子层，不易获得高效率发光，换句话说制作AlGaN系发光层的紫外高效率LED时，必需将穿转位密度抑制在1x107cm-2左右。

一般认为利用AlN单结晶基板或是ELO（Epitaxial Lateral Overgrowth）方法，制成高质量、低贯穿转位密度AlGaN 缓冲层非常有效，不过这种方式却有制作成本暴增之虞，它对紫外LD的重要性反而大于量产型紫外LED。

基于广泛应用性考虑，实现低价、量产、高效率紫外LED，现阶段即使AlGaN有贯穿转位密度问题，不过它仍旧是紫外LED常用的发光材料，例如InAlGaN 4元混晶含有Al成份的宽能隙（wide band gap），根据研究报告显示随着高质量InAlGaN混晶的制作条件、量子井结构的不同，可以获得280～380nm紫外高辉度发光，即使高贯穿转位密度，同样可以获得40％以上的内部量子效率，制成波长305～370nm紫外LED。

波长为350nm的紫外LED，如果使用AlGaN可以获得非常高的内部量子效率，由此可知InAlGaN对实现波长280～380nm量产型、高效率紫外LED具有决定性的影响。

氮化物LED短波长化时，会面临不易实现p型AlGaN等问题，尤其是p型AlGaN的Al组成比一旦变高，acceptor的活性化能量也会随着提高，其结果造成不易获得高浓度p型化，虽然目前Al组成30～40％左右的Mg Dope AlGaN可以获得p型化，不过更高的Al组成量测上非常困难。

低电洞（hole）浓度时，朝p型的电子溢流（overflow）会增加，朝发光层的电子效率则大幅降低，由于p层变成高阻抗导致sample过热导致发光效率降低。

高质量AlGaN AlN / Template的制作技术

制作波长360nm以下紫外LED时，为避免紫外吸收造成输出损失，大多采用无GaN结构，此时高质量蓝宝石/AlN模板（Template），成为制作紫外LED重要组件。

虽然在蓝宝石基板上可以制作低温长膜AlN（Low Temperature- AlN ；LT-AIN）中间层与AlGaN缓冲层，不过最近研究结果显示，使用高温长膜AlN（High Temperature- AlN ；HT-AIN）进行XRC评鉴时，可以制作高质量缓冲层。因此研究人员在HT- AlN上方制作InAlGaN 4元混晶量子井与LED结构，依此进行特性评鉴。

上述结晶长膜使用卧式MOCVD与TMG、TMAl、TMIn Adduct等材料，AlGaN、InAlGaN的长膜温度分别是1080～1150℃与780～880℃时，长膜速度大约是2μm/hour与0.12μm/hour。

根据以上条件依序在蓝宝石（0001）（off角0.15度）制作0. 6μHT-AlN，接着在它的上方制作Si dope 2段AlGaN缓冲层（AI0.36Ga0.64N为1.3μm，AI0.2Ga0.8N为2μm )当作模板。

HT-AlN的长膜温度为1270℃，长膜速度大约是4μm/hour，在模板上方制作Si dope Al0.2 Ga0.8N缓冲层1. 0μm之后，进行undoped InAlGaN缓冲层60nm，最后在它的上方制作InAlGaN量子井层，或是LED结构进行长膜评鉴。

如(图四)是蓝宝石基板上使HT-AlN长膜2.0μm时的AFM照片，根据照片显示它可以获得比较平坦的表面，以5×5μm大小进行AFM观察时的RMS值大约是0.24nm，除此之外它还可以观察到原子step。

如(图五)是蓝宝石/AlN模板的X线绕射（002）与（102）ω扫描同步曲线特性，由图可知最小半值幅为（002）与（102）时，可以获得36arcsec与1420arcsec等俯仰（tilt）成份非常良好的结果，至于扭转（twist）成份今后必需透过长膜条件改善。

HT-AlN上方制作2段AlGaN缓冲层（第二段）的X线绕射（002）与（102)ω扫描同步曲线（scan locking curb）的半值幅大约是140arcsec与1410arcsec左右，它比以往LT-AlN上方的AlGaN缓冲层大幅改善，研究人员一致认为HT-AlN上方AlGaN对称性（102）半值幅，在AlGaN的长膜条件的改善，可以获得600arcsec的结果。

《图四 蓝宝石基板上HT-AlN的AFM照片》

《图五 蓝宝石/AIN模板的X线绕射（002）与（102）ω扫描同步曲线特性》

如(图六)是蓝宝石/HT-AIN模板上制作InGaN量子井LED的断面TEM照片，依此评鉴螺旋转位加上混合转位密度大约是7×108cm-2左右，若与使用LT-AlN与HT-AlN的情况比较，AlGaN缓冲层的贯穿转位密度减少数倍以上。

依此证实使用HT-AlN模板，可以使InAlGaN 4元混晶量子井的发光强度增加三倍左右，而且更容易获得Mg dope AlGaN层的p型化。

《图六 蓝宝石/HT-AIN模板上制成的InGaN量子井LED断面TEM照片》

高效率紫外发光InAlGaN 4元混晶量子井技术

AlGaN混入数％的In造成贯穿转位密度变高时，即使在室温环境依旧可

以获得紫外高发光效率，一般认为添加In的动作机制是透过In的组成变调，使电

子与电洞局部化（Localization），加上转位结晶trap前发光再结合，因此即使转

位密度变高，也能够获得高发光效率。

图7是改变各材料的组成制成的InAlGaN 4元混晶，与InGaN量子井室温时的发光（Photo Luminescence；PL）频谱特性；(表一)是图七(a)的InAlGaN与InGaN量子井的结构参数。

室温时InAlGaN量子井会强发光，在280～380nm宽广的紫外波长范围，可以获得高辉度发光，尤其是在320～350nm附近，它与InGaN 量子井产生的蓝色发光效率几乎相同，值得一提的是上述量子井与1×1010cm-2高贯穿转位密度无关，在室温同样能够高辉度发光。

《图七 InAlGaN与InGaN量子井室温时的PL频谱特性》

InAlGaN 4元混晶的In组成变调，可以透过阳极发光（Cathode Lumines

cence；CL）影像的发光空间性摇晃观察，此外根据PL强度的温度特性观测，得知InAlGaN与InGaN量子井的PL强度，在室温下反而比GaN与AlGaN量子井高1～2位数。

为达成高内部量子效率，研究人员在高质量AlGaN/AlN模板上制作InAlGaN 4元混晶量子井结构，利用RBS方法量测InAlGaN的In与Al组成，其结果分别如下：

上述量子井与阻碍层的宽度分别是2.5nm与7.0nm。(图八)是测试温度从18K变化至290K时，InAlGaN量子井的PL频谱特性，如图所示室温时峰值波长为338nm，激发光源使用波长为257nm的Ar-SHG（Second Harmonics Generation）雷射，以500W/cm2激发电力密度进行量测，根据测试结果显示从低温一直到室温，InAlGaN量子井可以维持338nm单一峰值特性。

《图八 测试温度从18K变化至290K时，InAlGaN量子井的PL频谱特性》

如(图九)是将图八的频谱积分后获得的InAlGaN量子井发光积分强度－温度特性，由图可知在100K以下的低温领域，发光积分强度几乎维持一定，从低温变成室温时，发光积分强度会降低50％，此处假设低温时的发光再结合率大于非发光再结合率，依此推测室温时的内部量子效率大约是47％。

由于上述实验是以实际LED动作时的效率估算为主要考虑，因此激发光强度使用较高数据进行内部量子效率评鉴。

《图九 InAlGaN量子井的发光积分强度温度特性》

如(图十)是波长低于280nm，以短波发光的InAlGaN量子井室温发光（PL）频谱特性，如图所示波长低于300nm的短波，随着AL组成比的增加，会促进TMAl与氨的气相反应，其结果造成长膜条件的设定更加困难。

最近研究人员发现控制长膜压力与流速，即使波长低于280nm的短波，也能够

作室温高辉度发光，以(图十)为例它使用比一般更快的流速，同时改变长膜压力

制作量子井时，反而比使用减压方式（高流速）更容易获得波长267nm的室温发

光。

《图十 InAlGaN量子井的室温PL发光频谱》

如(图十一)是以波长265～338nm发光的InAlGaN量子井，估算的内部量子效率，黑圈是利用里研的MOCVD设备，在HT-AlN/AlGaN上方制作的InAlGaN量子井内部量子效率，如图所示波长338nm时为47％；白圈是利太阳日酸的MOCVD（SR-4000）设备，在蓝宝石/GaN模板上方制作的InAlGaN量子井值。

SR-4000是蓝光LED、LD量产用MOCVD，它可同时使三片2吋基板，或是一片4吋基板长膜。如(图十一)所示使用SR-4000在2吋基板上制作InAlGaN量子井，可以获得波长为336nm紫外高效率发光，它的内部量子效率几乎与利用SR-4000制作的InGaN量子井相同。

根据上述实验证实2吋基板能够获得均匀的量子井，这意味着今后InAlGaN紫外LD、LED，也可以顺利进入量产阶段。综合以上结果，研究人员一致认为InAlGaN 4元混晶量子井，对波长为280～380nm的紫外发光组件非常有帮助。

《图十一 InAlGaN量子井的推估内部量子效率》

Al组成比30％左右Mg doped AlGaN，由于acceptor的活性化能量高达300meV

，电洞的活性化率则低至1％以下，因此不易获得p型AlGaN。(图十二)是量测Mg

doped AlGaN的Al组成比与电洞效果，获得的电洞浓度特性，虽然透过优化

长膜条件，Al组成比32％左右的Mg doped AlGaN，可以获得2 ×1018cm-3的电洞浓度，不过根据研究报告显示，到目前为止Al组成比超过40％以上，还无法获得2×1017cm-3的电洞浓度。

虽然高Al组成的P型AlGaN是制作短波长氮化物发光组件不可或缺的技术，不过至今尚未找到达成高Al组成、高电洞浓度有效对策方案。

研究人员曾经尝试利用Mg doped AlGaN 超格子或是交互气体供应法，制作Mg doped AlGaN 以及共掺杂（Co-Doping），不过始终无法获得令人满意的效果，因此未来必需开发高Al组成的p型AlGaN 技术。

《图十二 Mg doped AlGaN的Al组成与电洞浓度关系》

如(图十三)是波长310nm、InAlGaN发光层紫外LED的结构与动作频谱，LED的具体结构依序在蓝宝石基板上制作；

上述p-AlGaN层使用交互气体供应法长膜，它在高注入电流领域，可以获得接近单峰值的发光。波长为308nm与314nm时的紫外LED输出，分别是0.4mW与0.8mW，虽然目前该LED的外部量子效率只有0.1％，不过研究人员认为今后透过p层高浓度化与量子井发光层的设计，可望提高LED的外部量子效率。

《图十三 InAlGaN发光层波长310nm紫外LED的结构与动作频谱》

如(图十四)是为去除贯穿转位的影响实现高效率LED，研究人员在GaN基

板上制作的InGaN量子井结构LED，与该LED的发光特征；(图十五)是该LED的

室温CW频谱与V-1特性。

《图十四 GaN基板上的InGaN量子井LED结构与发光特征》

《图十五 GaN基板上的InGaN量子井LED的室温CW频谱与V-I特性》

上述LED制作步骤是依序在GaN基板上制作：

接着在LED的表面制作Ni /Au半透明电极，在LED的背面制作Ti /Au电极。除此之外研究人员还利用Al组成18％的p-AlGaN bulk层取代AlGaN/AlGaN超格子层试作LED。

上述LED的基板使用住友开发的GaN基板（贯穿转位密度低于1×106cm-2 ），LED的发光波长为352nm，发光半值幅为9nm，注入100mA时的施加电压大约是4.4V左右。

如(图十六)是上述LED的电流-光输出( L I - )特性与外部量子效率，如图所示注入400mA时的最大输出大约是7.4mW左右；使用AlGaN AlGaN / 超格子层的LED，注入100mA时的最大输出大约是3.9mW左右，该输出值比GaN基板上制作AlGaN量子井，波长为350nm的LED，注入100mA时3.9mW最大输出更高，至于外部量子效率，波长350nm的表面出射型LED，最高值大约是1.1％。

InAlGaN 4元混晶LED若与AlGaN系LED比较，前者的效率反而更优秀，依此再度证实即使高贯穿转位密度，在GaN基板上制成的AlGaN系LED，同样可以获很高的外部量子效率。

《图十六 GaN基板上的InGaN量子井LED电流之光输出（I-L）特性与外部量子效率》

上述LED的外部量子效率只有1.1％，主要原因是GaN层的紫外光吸收，使得光取出效率降低，加上p-AlGaN的电洞浓度很低，与电子溢流、组件加热都会造成效率降低。

一般认为今后AlN/AlGaN高质量缓冲层的导入，利用散热鳍片的晶粒固定（die bonding），以及蓝宝石lift-off构成的纵型注入结构的导入，高效率组件与紫外光取出效率的改善，LED的外部量子效率可望获得大幅提升。

网状网络（mesh network）如果建置正确，应能大幅增加今日IEEE 802.11网络的涵盖面和容错能力。然而，无线网状网络标准，例如IEEE802.11s和IEEE 802.16f，数年后才会出现。在此同时，虽然有数种专属性方案可供采纳，不过这些方案设定过于复杂而且可能没有解决QoS问题。于是，在目前网状网络技术仍为专属性情况下，除了在校园或企业内部等封死循环境以外的领域，成长将极为有限。

一般认为今后AlN/AlGaN高质量缓冲层的导入，利用散热鳍片的晶粒固定（die bonding），以及蓝宝石lift-off构成的纵型注入结构的导入，高效率组件与紫外光取出效率的改善，LED的外部量子效率可望获得大幅提升。

光，并实现上方出射350nm波长LED最高外部量子效率，依此证实InAlGaN系发光

层比AlGaN更优秀。由于InAlGaN即使高转位密度，也能够作高辉度发光，这意

味着量产型、低价紫外LED的发光层具备高利用价值。

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