臺灣博碩士論文加值系統

近年來，三五族氮化物藍光發光二極體始終被熱烈討論和研究，最熱門的議題莫過於氮化物的極化效應及在高電流注入下產生之efficiency droop現象，這兩個議題分別強烈影響了發光二極體的元件效能。
一、極化效應：在各磊晶層間因材料相異，使磊晶介面間累積著大量的極化電荷，並伴隨產生強大的極化電場，而嚴重改變了LED的能帶結構，尤其是在活性區量子井中，極化效應使量子井之能帶傾斜，電子與電洞分別侷限於井的兩側，導致載子貢獻結合發光的機會大量減少，因此大幅降低LED的發光功率及效率。
二、Efficiency droop現象：在高電流持續注入之下，雖然增加許多可貢獻發光之載子，但其元件發光效率卻未隨之提升反而呈現下降趨勢。有許多研究指出，可能是極化效應、電子溢流、電洞注入困難、磊晶缺陷、磊晶介面熱效應、current rollover、Auger recombination…等等之影響，因此限制了LED在高電流注入下的發光功率及效率。
上述議題，已有相當多的研究團體投入心力於研究如何改善氮化物之極化電場及在高電流注入下所產生之efficiency droop現象，期望有效提升發光二極體的元件性能。本論文將從模擬的觀點，找出改善極化效應及efficiency droop現象之LED元件結構優化設計。
本論文之研究重點將探討使用非對稱型活性區元件結構對藍光InGaN LED特性之影響，並有效改善藍光InGaN LED極化效應及efficiency droop之現象，主體內容分成二部份：
一、在第三章之研究中，延續國立彰化師範大學光電科技研究所蔡妙嬋的碩士論文第五章，其研究主題為分析使用步階函數狀（staggered）之氮化銦鎵量子井對藍光發光二極體元件特性的影響，而我將此研究作一延伸，將元件發光波長固定在456 nm下，探討使用步階函數狀之InGaN量子井對藍光LED發光性能所造成的影響，並找出步階函數狀量子井結構之最佳設計。由模擬結果發現，當LED使用In0.20Ga0.80N（1.4 nm）/In0.26Ga0.74N（1.6 nm）staggered量子井之結構最佳化設計時，由於電子與電洞波函數重疊率的提升、有效抑制電子溢流及增加電洞注入效率，其元件輸出功率將大量地增強。
二、在第四章中探討使用非對稱井障（asymmetric barrier）結構對藍光LED元件性能所造成的影響。由模擬結果發現，使用Structure I（n-side Al0.04Ga0.96N）、Structure II （p-side In0.07Ga0.93N）與Structure III （同時使用n-side Al0.04Ga0.96N及p-side In0.07Ga0.93N）之非對稱型井障結構設計可有效改善藍光LED efficiency droop的現象，並能有效提升元件的內部量子效率與發光效率。當LED使用structure II （p-side In0.07Ga0.93N）非對稱井障結構優化設計時，可大量提升電子與電洞注入效率及有效抑制電子溢流，可使藍光LED元件效能獲得大幅度提升。
最後在第五章做一個總結。

High-luminescence and high-efficiency blue InGaN light-emitting diodes are of foremost importance for applications in illumination market, such as the outdoor display and solid-state lighting. However, several mechanisms which degenerate the optical performance, including light extraction efficiency, current crowding effect, high operation voltage, efficiency droop, and piezoelectric effect, should be solved to achieve high-power blue InGaN light-emitting diodes. In this thesis, I numerically investigate the effect of piezoelectric effect and efficiency droop on the optical performance of the blue InGaN light-emiting diodes. In addition, the optimum design of the structure is proposed to enhance the optical characteristics of the blue InGaN light-emitting diodes.
In chapter 1, I introduce a brief content about my research. On the other hand, the polarization-related effect and efficiency droop about the blue InGaN–based light-emitting diodes are also introduced.
In chapter 2, the structure of the blue InGaN light-emitting diode under study and the physical parameters such as the bandgap energy, bowing parameter, band-offset ratio, polarization effect, and SRH lifetime of the III-nitride alloys used in my simulation are introduced.
In chapter 3, the effect of staggered quantum well upon the blue InGaN light-emitting diodes is numerically studied. The blue InGaN light-emitting diodes with various staggered quantum wells are theoretically investigated. According to the simulation result, the best optical characteristic is obtained when the staggered-quantum-well is designed as In0.20Ga0.80N (1.4 nm)-In0.26Ga0.74N (1.6 nm) for the blue light-emitting diodes. It is because of the enhanced overlap of electron and hole wavefunctions, increased hole injection efficiency, and suppressed electron leakage for the blue InGaN light-emitting diodes.
In chapter 4, for the blue InGaN light-emitting diodes, the effect of the asymmetric barriers is investigated. The idea of asymmetric barriers is proposed to reduce the efficiency droop phenomenon and to improve the internal quantum efficiency. After theoretical calculation, the lighting performance of the blue InGaN light-emitting diodes is effectively improved by using the asymmetric barriers. Besides, the physical explanations for the improvement in device performance are discussed in detail.
Finally, the thesis is concluded in chapter 5.

目錄 I
中文摘要 IV
英文摘要 VI
圖表索引 VIII
第一章 藍光發光二極體之極化效應及efficiency droop現象介紹 1
1.1 前言 1
1.1.1極化效應簡介 2
1.1.2 Efficiency droop現象簡介 3
1.2 改善極化效應及efficiency droop現象之元件設計 4
1.3 結論 10
參考文獻 11
第二章 模擬結構與參數設定 27
2.1 前言 27
2.2 氮化銦鎵發光二極體元件結構介紹 29
2.2.1 步階函數狀藍光發光二極體之原始結構 29
2.2.2 非對稱型井障藍光發光二極體之原始結構 30
2.3 物質參數設定 31
2.4 自由參數設定 37
2.5 結論 39
參考文獻 40
第三章 456 nm藍光發光二極體使用步階函數狀
氮化銦鎵量子井 結構之最佳化設計 47
3.1 研究動機 47
3.2 元件結構設計 49
3.3 模擬結果與分析 51
3.3.1 步階函數狀量子井結構之最佳化設計 51
3.3.2 井寬變化對步階函數狀量子井結構之影響 63
3.4 結論 70
參考文獻 71
第四章 使用非對稱型井障結構對藍光發光二極體之特性探討 75
4.1 研究動機 75
4.2 元件結構設計 79
4.3 模擬結果與分析 88
4.3.1 使用p-side Al0.04Ga0.96N非對稱井障結構
設計對藍光發光二極體之影響 88
4.3.2 使用n-side In0.07Ga0.93N非對稱井障結構
設計對藍光發光二極體之影響 96
4.3.3 使用p-side Al0.04Ga0.96N與n-side In0.07Ga0.93N非對稱井障
結構設計對藍光發光二極體之影響 104
4.4 結論 109
參考文獻 110
第五章 結論 114
附錄A
論文發表清單 i

圖1.1 量子井（5 nm GaN/10 nm Al0.1Ga0.9N）之能帶結構圖：（a）在
極化電場嚴重作用下，（b）無極化電場作用時。 3
圖2.1 步階函數狀藍光發光二極體之原始結構圖。 29
圖2.2 非對稱型井障藍光發光二極體之原始結構圖。 30
圖2.3 實驗與模擬之發光功率與電流關係圖。 38
圖2.4 實驗與模擬之發光功率與電流關係圖。 38
圖3.1（a）傳統量子井LED，（b）Staggered量子井LED之能帶圖。 48
圖3.2 傳統量子井與Staggered量子井LED在室溫下之陰極發光頻譜圖。 48
圖3.3 初始結構圖。 49
圖3.4 Staggered量子井之結構示意圖。 50
圖3.5 模擬所得original與各staggered量子井LED之波
長及輸出功率數據比較圖。 52
圖3.6 模擬所得初始結構與優化staggered量子井結構A、
B、C之L-I-V特性圖。 54
圖3.7 模擬所得初始結構與優化staggered量子井結構
A在20 mA電流注入下之自發輻射發光頻圖。 54
圖3.8 結構A在20 mA電流注入下之能帶圖。 56
圖3.9 初始結構在20 mA電流注入下之能帶圖。 56
圖3.10 初始結構與結構A在20 mA電流注入下之電子濃度與導電帶
比較圖。 57
圖3.11 初始結構與結構A在20 mA電流注入下之電洞濃度
與價電帶比較圖。 57
圖3.12（a）初始結構、（b）結構A之活性區電場方向示意圖。 59
圖3.13 初始結構與結構A於20 mA時之電場圖。 59
圖3.14 初始結構與結構A於20 mA時之導電帶能帶圖。 60
圖3.15 初始結構與結構A於20 mA時之電洞電流密度圖。 61
圖3.16 初始結構與結構A於20 mA時之電子電流密度圖。 61
圖3.17 初始結構與結構A於20 mA時之SRH非輻射再結合速率圖。 62
圖3.18 Staggered量子井之結構示意圖。 63
圖3.19 結構A與改變staggered量子井厚度結構I、II之L-I-V特性圖。 64
圖3.20 In0.20Ga0.80N（0.9 nm）-In0.26Ga0.74N（1.1 nm）結構I在
20 mA電流注入下之能帶圖。 65
圖3.21 In0.20Ga0.80N（1.9 nm）-In0.26Ga0.74N（2.1 nm）結構II在
20 mA電流注入下之能帶圖。 66
圖3.22 結構A在20 mA電流注入下之能帶圖。 66
圖3.23 結構I在20 mA電流注入下之載子濃度圖。 67
圖3.24 結構II在20 mA電流注入下之載子濃度圖。 68
圖3.25 結構A在20 mA電流注入下之載子濃度圖。 68
圖3.26 結構A與改變staggered量子井厚度結構I、
II在20 mA電流注入下之輻射再結合速率圖。 69
圖4.1 順向偏壓下，InGaN/GaN與InGaN/InGaN
LED結構分別計算出來之能帶圖。 77
圖4.2 InGaN/GaN不同量子井井障厚度之外部量子效
率與電激發光強度圖。 77
圖4.3 InGaN LED使用不同量子井井障結構之輻射強度與
外部量子效率圖。 78
圖4.4 初始結構圖。 79
圖4.5 非對稱型量子井井障n-side AlxGa1−xN（7.5 nm）
之結構活性區示意圖。 80
圖4.6 非對稱型量子井井障n-side InyGa1−yN（7.5 nm）
之結構活性區示意圖。 81
圖4.7 非對稱型量子井井障n-side AlxGa1−xN（7.5 nm）及p-side
InyGa1−yN（7.5 nm）之結構活性區示意圖。 81
圖4.8 Structure I與Original structure之元件輸
出功率數據比較圖。 83
圖4.9 Structure II與Original structure之元件
輸出功率數據比較圖。 84
圖4.10 固定n-side Al0.04Ga0.96N及調變InyGa1−yN中之
In（y）含量之Structure III與Original structure元件
輸出功率數據比較圖。 84
圖4.11 固定p-side In0.07Ga0.93N及調變AlxGa1−xN中之Al
（x）含量之Structure III與Original structure元
件輸出功率數據比較圖。 85
圖4.12 Structure I、II、III與Original structure之
L-I特性圖。 86
圖4.13 Structure I、II、III與Original structure
之內部量子效率圖。 86
圖4.14 Structure I、II、III與Original structure
之自發輻射發光頻譜圖 87
圖4.15 Structure I在20 mA電流注入下之能帶圖。 89
圖4.16 Original structure在20 mA電流注入下之能帶圖。 89
圖4.17 Structure I與Original structure在20 mA
電流注入下之電場圖。 90
圖4.18 Structure I與Original structure於20 mA
電流注入下之導電帶能帶圖。 91
圖4.19 Structure I與Original structure於20 mA
電流注入下之價電帶能帶圖。 91
圖4.20 Structure I與Original structure於20 mA及150 mA
電流注入下之電洞濃度圖 93
圖4.21 Structure I與Original structure於20
mA及150 mA電流注入下之電子濃度圖。 94
圖4.22 Structure I與Original structure在20 mA及150
mA電流注入下之輻射再結合速率圖。 95
圖4.23 Structure II在20 mA電流注入下之導電帶能帶圖。 97
圖4.24 Original structure在20 mA電流注入下之導電帶能帶圖。 97
圖4.25 Structure II與Original structure在20
mA電流注入下之電場圖 98
圖4.26 Structure II與Original structure在20 mA
電流注入下之導電帶能帶圖。 99
圖4.27 Structure II與Original structure於20
mA及150 mA電流注入下之電子濃度圖。 100
圖4.28 Structure II與Original structure於20
mA電流注入下之價電帶能帶圖。 101
圖4.29 Structure II與Original structure於20 mA及
150 mA電流注入下之電洞濃度圖。 101
圖4.30 Structure II與Original structure在20 mA及
150 mA電流注入下之輻射再結合速率圖。 102
圖4.31 Structure III在20 mA電流注入下之能帶圖 105
圖4.32 Original structure在20 mA電流注入下之能帶圖。 105
圖4.33 Structure II與III在20 mA電流注入下之導電帶圖。 107
圖4.34 Structure II與III在20 mA電流注入下之電場圖。 107
圖4.35 Structure II與III在20 mA電流注入下之電子濃度圖。 108
圖4.36 Structure II與III在150 mA電流注入下之電子濃度圖。 108
表1.1 改善極化效應影響之元件結構設計。 7
表1.2 改善efficiency droop現象之元件結構設計。 9
表2.1 InGaN相關的二元半導體化合物Varshni係數與能帶間隙。 34
表2.2 氮化物材料之自發極化參數與彎曲係數。 34
表2.3 步階函數狀藍光發光二極體各層材料間之介面極化電荷密度。 35
表2.4 非對稱型井障藍光發光二極體各層材料間之介面極化電荷密度。 35
表2.5 模擬程式中設定之GaN、AlN與InN之物理參數。 36
表3.1 調變不同indium含量及量子井厚度之staggered
量子井LED在注入電流為20 mA下之發光波長。 53
表3.2 調變不同indium含量及量子井厚度之staggered量子
井LED在注入電流為20 mA下之輸出功率。 53
表3.3 初始結構與結構A之各層極化電荷密度。 58
表4.1 Structure I、II、III與Original structure在20 mA
時之發光波長。 87
表4.2 Structure I於20 mA及150 mA電流注入
下之電洞濃度提升率。 93
表4.3 Structure I於20 mA及150 mA電流注入下
之電子濃度提升率。 94
表4.4 Structure I於20 mA及150 mA電流注入下
之輻射再結合速率提升率。 95
表4.5 Structure II於20 mA及150 mA電流注入
下之電子濃度提升率 100
表4.6 Structure II於20 mA及150 mA電流注入
下之電洞濃度提升率。 102
表4.7 Structure II於20 mA及150 mA電流注入下
之輻射再結合速率提升率。 103

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