「藍光LED的奇幻旅程」- 氮化鎵與氮化銦鎵的製備

 
2018/08/20 王祥辰 | 國立中正大學光機電整合工程研究所     898
 

每當傍晚時分,太陽逐漸西斜到了天邊,華燈初上,點亮日落後的街道,下班後的人們,悠閒地滑著手上的智慧型手機,此種場景對於現代人再平凡不過。但觀看此篇文章的你是否知道,在1990年代以前,發光二極體(Light Emitting Diode, LED)的應用還遠不及現今社會;1990年後,固態磊晶技術有了突破性的發展,才有「藍光LED」出現,之後便被大量地使用。

 

說到「藍光LED」,不得不提一種名為「氮化鎵」的材料。氮化鎵為製作藍光LED重要的材料之一,製備方法的改良與確立也經過了不少歷程。氮化鎵的製備最早是由R. Juza與H. Hahn在高溫高壓的狀態中,使氨氣通過液態鎵製備出針狀的氮化鎵[1];1969年,Maruska與Tietjen利用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)合成氮化鎵,增加了氮化鎵的生長面積並具有N型半導體特性 [2];1982年,S. Porowski在高溫且高壓的環境下,將氮氣通過金屬鎵,使用昇華法成長氮化鎵,進而可調變氮化鎵的阻抗[3];1983年,S. Yoshida在藍寶石基板(Al2O3,Sapphire)上先成長高溫氮化鋁緩衝層,再成長氮化鎵薄膜,發現在緩衝層上成長的氮化鎵結晶較好[4];1986年,名古屋大學I. Akasaki教授以藍寶石基板,利用有機金屬化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)在低溫下先成長氮化鋁緩衝層後,再採用高溫成長氮化鎵獲得擁有鏡面般光澤之材料[5]。三年後,I. Akasaki教授克服氮化鎵本身具有N型半導體的載子濃度問題,製作出第一個P-N介面結構的氮化鎵發光二極體[6];數年後,日亞化學公司研究員S. Nakamura採用低溫成長氮化鎵緩衝層,以450℃~ 600℃之間的溫度成長10 ~ 120奈米(nm)的氮化鎵緩衝層,緩衝層成長完後再將溫度升高至1000 ℃~1030℃之間以成長氮化鎵薄膜。經過約60分鐘的成長後,氮化鎵薄膜厚度約為4微米(μm),且樣品具有鏡面以及光滑表面,得到了比起以往製程更高品質的氮化鎵,此一方法至今仍為目前最常見的緩衝層成長氮化鎵的方式[7]。氮化銦鎵是由氮化銦與氮化鎵混合物製備而成,其為能隙介於0.7 ~ 6.2 eV的三元化合物半導體材料,其能隙可藉由改變合金中的銦含量來調整,對於應用在LED及雷射二極體上具有相當不錯的前景。

 

氮化物半導體材料由於其廣泛的實際應用受到極大的關注,氮化物半導體形成具有直接能隙的系統,範圍從氮化銦0.7電子伏特到氮化鋁6.2電子伏特(電子伏特,單位符號為eV,代表一個電子經過1伏特的電位差加速後所獲得的動能),其中氮化鎵為3.4 eV,透過氮化銦鎵及氮化鋁鎵系統可以製造出異質接面合適的組合來實現從0.7 ~ 6.2 eV的可調變能隙,在III族三元氮化物材料中,氮化銦鎵引起了很大的關注,氮化鎵及氮化銦鎵在製造整個可見光和部分近紫外光譜區域發光元件中扮演著不可或缺的材料。

 

氮化鎵與氮化銦鎵的應用

 

1. 發光元件

 

氮化鎵與氮化銦鎵的應用最著名的莫過於1993年,位於日本的日亞化學公司的研究員S. Nakamura成功以氮化鎵及氮化銦鎵開發具有高亮度的藍光發光二極體,並以此發明獲得諾貝爾物理學獎[9]。也許有人會有疑問,為何諾貝爾獎頒給藍光LED,而其他顏色卻未獲獎?確實藍光LED所使用的氮化鎵及氮化銦鎵材料,其基本結構與砷化鎵材料做出的紅光LED相同,但相較於藍光LED,紅光及綠光早已在市面上應用。因為人們在生活上很少將紅光用於照明用途上,普遍需求為白光,而藍光LED正是組成白光的紅、綠、藍之中最後一塊拼圖。相較於傳統的白熾燈,LED燈泡不僅發光效率高且使用壽命較傳統燈泡長、不易破損、耗電量低、安全性高、體積小還具有可調整光強弱之優點[10]。而鎂摻雜使得P-Type氮化鎵的出現,此發現為後來的P-N接面及發光元件開闢了條道路。藍光LED已經在市面上銷售,且彩色的LED顯示器也運用上此項技術,目前也已應用於大尺寸面板上。

 

2.射頻放大器

 

氮化鎵的本質特性使其成為微波及毫米波功率放大器最佳選擇[10],首先,其絕緣強度在矽製程的微波元件或是砷化族的半導體組成元件中,元件的熱導率限定值有效的與A類功率放大器的介電崩潰值相符合[10]。於B類操作中,推挽型裝置為線性放大提供了最高的理論效率(78%),同時元件的工作電壓為A類元件的兩倍,於傳統半導體製造的元件中,這需要更長的FET或更厚的SITS來適應此種電壓,然而在氮化鎵及其相關寬能隙半導體材料中,介電強度比矽高50倍。因此B類元件之操作要求很容易適應於氮化鎵元件,透過減少寄生參數且使用較短的閘極並且使元件操作於高電壓的工作條件下,以氮化鎵為材料之電晶體能獲得較好的轉換效率。

 

臺灣於氮化銦鎵∕氮化鎵領域之著名專家學者

 

臺灣在氮化銦鎵、氮化鎵相關的研究也深耕許久,臺灣大學楊志忠教授研究團隊在有關銦成分、聚合尺寸和量子井寬度的變化方面的研究,是對於瞭解光學特性及製造高效LED重要關鍵[11]。交通大學郭浩中教授研究團隊開利用m面的氮化銦鎵/氮化鎵開發出高效率的藍綠光發光二極體 [12]。成功大學張守進教授研究團隊透過有機金屬氣相外延法製備出高發光效率氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井(MQW)藍光及綠光發光二極體[13]。交通大學洪瑞華教授研究團隊於氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)P型半導體氮化鎵的研究上也製作出高效發光二極體[14]。中山大學杜立偉教授研究團隊使用分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)製備出高品質的氮化鎵奈米柱,提升元件的光電特性[15]。上述之研究均為臺灣在氮化銦鎵∕氮化鎵的製備上奠定基礎。

 

(本文由科技部「主題科學傳播」執行團隊撰稿)

責任編輯:郭啟東/國立中山大學

 
 
 
  • 延伸閱讀:
     
    • [1] R. Juza, and H. Hahn, Z. Anorg, Allgem. Chem. 244, 133 (1940).
    • [2] H. P. Maruska, and J. J. Tietjen “The preparation and properties of vapor deposited single-crystalline GaN”Appl. Phys. Lett. 15, 327 (1969).
    • [3] J. Karpiński, S. Porowski, and S.Miotkowska “High pressure vapor growth of GaN” Journal of Crystal Growth 56, 77 (1982).
    • [4] S. Yoshida,S. Misawa, and S. Gonda “Improvements on the electrical and luminescent properties of reactive molecular beam epitaxially grown GaN films by using AlN‐coated sapphire substrates” Appl. Phys. Lett. 42, 427 (1983).
    • [5] H. Amano,N. Sawaki, and I. Akasaki “Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer” Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986).
    • [6] H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu, and I. Akasaki “P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation” J. Appl. Phys. Part2 28, L2112 (1989).
    • [7] S. Nakamura “GaN Growth Using GaN Buffer Layer” J. Appl. Phys. 30, 1705 (1991).
    • [8] Deborah A. Neumayer, and John G. Ekerdt “Growth of Group III Nitrides. A Review of Precursors and Techniques” Chem. Mater. 8, 9 (1996).
    • [9] Shuji Nakamura, Takashi Mukai, and Masayuki Senoh “Candela‐class high‐brightness InGaN/AlGaN double‐heterostructure blue‐light‐emitting diodes” Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994).
    • [10] M. N. Yoder, "Gallium nitride past, present, and future," High Speed Semiconductor Devices and Circuits, 1997. Proceedings., 1997 IEEE/Cornell Conference on Advanced Concepts in, pp. 3-12. (1997).
    • [11] Yen-Sheng Lin, Kung-Jeng Ma, C. Hsu, Shih-Wei Feng, Yung-Chen Cheng, Chi-Chih Liao, C. C. Yang, Chang- Cheng Chou, Chia-Ming Lee, and Jen-Inn Chyi “Dependence of composition fluctuation on indium content in InGaN/GaN multiple quantum wells” Appl. Phys. Lett. 77, 2988 (2000).
    • [12] Shih-Chun Ling, Tien-Chang Lu, Shih-Pang Chang, Jun-Rong Chen, Hao-Chung Kuo, and Shing-Chung Wang “Low efficiency droop in blue-green m-plane InGaN/GaN light emitting diodes” Appl. Phys. Lett. 96, 231101 (2010).
    • [13] S. J. Chang, W. C. Lai, Y. K. Su, J. F. Chen, C. H. Liu, and U. H. Liaw “InGaN–GaN Multiquantum-Well Blue and Green Light-Emitting Diodes” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8, 278 (2002).
    • [14] Ray-Hua Horng, Dong-Sing Wuu, Yi-Chung Lien, and Wen-How Lan “Low-resistance and high-transparency Ni/indium tin oxide ohmic contacts to p-type GaN” Appl. Phys. Lett. 79, 2925 (2001).
    • [15] Li-Wei Tu, Ching-Lien Hsiao, Tung-Wei Chi, Ikai Lo, and Kung-Yu Hsieh “Self-assembled vertical GaN nanorods grown by molecular-beam epitaxy” Appl. Phys. Lett. 82, 1601 (2003).
     
  •