GaAsP磷砷化鎵LED（Ⅲ-Ⅴ族）

1、元件構(gòu)造與發(fā)光特性
GaAs1-xPx可以作為紅色（X=0.4，655nm）及黃（X=0.85，590nm）、橙（X=0.75，610nm）、綠色（X=1，555-565nm）發(fā)光二極管，比較大不同在于紅色LED系使用GaAs做基板，而黃、橙、綠色LED則以GaP為基板。由于發(fā)光區(qū)域GaAs1-xPx材料之晶格常數(shù)與基板相差甚大，無(wú)法直接長(zhǎng)在基板上，因此均先成長(zhǎng)一層組成份漸變層，逐漸將組成份調(diào)整至所需比例后再生長(zhǎng)一層組成份固定層，但如果是黃色或橙色LED時(shí)，則尚須在組成份固定層之比較后約20mm參雜氮。 PN接面是以鋅拓散方式而形成，與一般液相結(jié)晶成長(zhǎng)法（LPE）直接長(zhǎng)成P型層形成PN接面者不同。 
     GaAs1-xPx材料之能隙與組成份x之關(guān)系在0＜x＜0.49范圍內(nèi)為直接能隙，因此發(fā)光效率較高，如紅光LED(x=0.4)。 x＞0.49時(shí)為間接能隙，發(fā)光效率差，如黃光(x=0.85)及橙光(x=0.75)LED。為了提升間接能隙區(qū)之發(fā)光量子效率，在結(jié)晶成長(zhǎng)之比較后約20mm參雜氮，可使得發(fā)光量子效率增加。一般而言，在直接能隙范圍內(nèi)之GaAsP材料通常不參雜氮，如GaAs0.6P0.4紅色LED；黃色、橙色或是綠色(x=1)LED則均參雜氮以提高發(fā)光效率。此外，由于GaP基板之能隙較黃、橙光之能量大，因此對(duì)黃、橙光而言，GaP基板是透明的，發(fā)出之光不會(huì)被基板所吸收。而GaAs0.6P0.4紅光之能量較GaAs基板大，因此所發(fā)出之光會(huì)被基板所吸收。因此可以知道GaAsP或GaP之發(fā)光效率都不好。

2、結(jié)晶成長(zhǎng)技術(shù)
GaAs1-xPx紅、黃、橙三色之LED皆以氣相結(jié)晶成長(zhǎng)法(VPE)長(zhǎng)成，以GaAs0.6P0.4紅光LED而言，選擇GaAs基板之晶格失配率為1.5%，黃光LED( x=0.85)，以GaP為基板之晶格失配率為0.6%，而晶格失配愈嚴(yán)重則結(jié)晶成長(zhǎng)時(shí)之缺陷愈多，使得結(jié)晶品質(zhì)變差，發(fā)光效率降低。

3、應(yīng)用
以GaAsP材料做成之LED，由于前述晶格失配的問(wèn)題，使得其亮度(為低亮度)不如以液相結(jié)晶成長(zhǎng)(LPE)，晶格匹配良好之AlGaAs高亮度紅色LED，但因其顏色涵蓋紅橙黃三色，因此廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)之顯示，如家電、汽車(chē)儀表、活動(dòng)看板等，是LED顯示多彩色化不可或缺的元件。

AlGaAs砷化鋁鎵高亮度紅色LED（Ⅲ-Ⅴ族）

1、元件構(gòu)造與發(fā)光特性
在紅色LED的材料中，傳統(tǒng)的磷砷化鎵（GaAsP；GaAsP/GaAs，發(fā)光波長(zhǎng)660nm；VPE）及磷化鎵（GaP；GaP（Zn，O），發(fā)光波長(zhǎng)690nm，LPE）紅色LED技術(shù)上都已成熟。然而，在GaAsP方面，由于沒(méi)有適當(dāng)匹配的基板，因此結(jié)晶時(shí)有缺陷的產(chǎn)生，其發(fā)光效率也就無(wú)法提升；而GaP在本質(zhì)上就無(wú)法產(chǎn)生極高的發(fā)光效率，所以上述兩種LED的亮度較低，只適合于室內(nèi)的使用規(guī)格。因此，發(fā)展適用于戶外的高亮度紅色LED變成為一種重要的技術(shù)。

目前市場(chǎng)上的高亮度紅色LED的產(chǎn)品主要集中在AlGaAs此種材料所制成的元件。 AlGaAs的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）lxGa1-xAs在不同的鋁含量下，其晶格常數(shù)皆可匹配于砷化鎵基板，因此可在基板上長(zhǎng)成品質(zhì)佳的AlGaAs結(jié)晶層。

（2）于AlxGa1-xAs紅色LED(x=0.35，發(fā)光波長(zhǎng)660nm)而言，其發(fā)光層為直接能隙的材料，因此其擁有較佳的發(fā)光效率。

上述的材料特性使得AlGaAs克服了GaAsP及GaP的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)上，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的AlGaAs高亮度紅色LED其亮度已可達(dá)到戶外應(yīng)用的規(guī)格(亮度須大于1燭光=1000mcd)。然而，上述結(jié)構(gòu)具有一共同的劣勢(shì)，即其GaAs基板的吸光效應(yīng)，由于半導(dǎo)體材料與封裝用的樹(shù)脂或空氣的折射系數(shù)差異很大，因此在活性層產(chǎn)生的光極易返回晶體內(nèi)部，如果這些反射光行進(jìn)至GaAs基板，將被能隙小的GaAs基板吸收而損耗。由此現(xiàn)象可知，如果以較高能隙的AlGaAs來(lái)代替GaAs基板(雙面發(fā)光型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)---DDH，如圖3-3)，理論上由于AlGaAs基板不吸光，往基板行進(jìn)的光將有機(jī)會(huì)經(jīng)由底部再反射回表面，因此亮度將可提高一倍以上。自從發(fā)展出此種DDH結(jié)構(gòu)后，AlGaAs高亮度紅色LED的亮度已可高達(dá)5000mcd以上。

2、結(jié)晶成長(zhǎng)技術(shù)
AlGaAs高亮度紅色LED量產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的結(jié)晶成長(zhǎng)基本上是以LPE技術(shù)為主。而對(duì)于DDH結(jié)構(gòu)而言，由于必須成長(zhǎng)AlGaAs透明基板，所以有二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題必須注意：

（1）AlGaAs透明基板具有較高的鋁含量，容易產(chǎn)生氧化的問(wèn)題。

（2）基板厚度通常必須大于150mm，隨著厚度增加，晶格缺陷也隨之增多。

3、應(yīng)用
因其發(fā)光效率良好且亮度高，故可用于戶外顯示需要高亮度的產(chǎn)品，如：第三煞車(chē)燈、交通號(hào)志及戶外看板等。

AlGaInP----磷化鋁鎵銦LED（Ⅲ-Ⅴ族）

1、元件構(gòu)造與發(fā)光特性
前述曾提到作為戶外使用之LED的亮度必須大于1燭光（1000mcd），所以傳統(tǒng)以GaAsP或GaP為主要材料的橙、黃或綠色LED亮度都無(wú)法達(dá)到戶外使用的標(biāo)準(zhǔn)，因此發(fā)展適用于戶外之高亮度橙、黃或綠色LED變成為一炙手可熱的技術(shù)，而磷化鋁鎵銦(AlGaInP)極為具有此特性的光電寵兒。由實(shí)驗(yàn)知，欲將磷化鎵銦（GaInP）成長(zhǎng)于砷化鎵（GaAs）基板上，兩者的晶格常數(shù)必須匹配，匹配下的GaInP組成，是52%的磷化鎵（GaP）及48%的磷化銦（InP），如在GaInP上適度地加入鋁，以取代其中的鎵，既不會(huì)改變晶格常數(shù)，又可將直接能隙拓寬為1.85至2.3電子伏特間，其化學(xué)式為(AlxGa1-x)0.52In0.48P，其中x代表鋁取代鎵的比例。當(dāng)鋁含量增加時(shí)，直接能隙增加，波長(zhǎng)隨之變短，使得AlGaInP成為所有三五半導(dǎo)體具有比較高能隙之材料。此材料也具有制成橙、黃或綠色發(fā)光二極管的潛力，更由于其屬于直接能隙型，故發(fā)光效率可望高于現(xiàn)有之GaAsP、GaP LED。目前日本以AlGaInP開(kāi)發(fā)出之橙色（x=0.2）及黃色LED亮度皆可達(dá)1000mcd以上，至于以AlGaInP開(kāi)發(fā)出的綠色（x=0.5）LED，由于其活性層組成介于直接、間接能隙轉(zhuǎn)折點(diǎn)，故發(fā)光效率遠(yuǎn)小于橙色和黃色LED，然而在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)下，其亮度仍可數(shù)倍于現(xiàn)有的GaP綠色LED。如日本及美國(guó)做出的AlGaInP黃綠色LED（波長(zhǎng)568-573nm）其亮度可達(dá)1500mcd。 前述所提由AlGaInP制造之LED波長(zhǎng)逐漸縮短時(shí)，其活性層組成介于直接、間接能隙轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這時(shí)量子效率會(huì)急遽下降。再者由于GaAs基板的能隙小于AlGaInP，故會(huì)吸收由AlGaInP所發(fā)出的部分光，使其亮度降低，因此綠色AlGaInP LED必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上著手，以提高亮度，其方法有三種：

（1）在AlGaInP活性層下方成長(zhǎng)一多層反射結(jié)構(gòu)，一來(lái)可減少往下漏出而被基板吸收之光，二來(lái)也可反射向上發(fā)出而又折回的光，達(dá)到提高亮度的目的。

（2）在P- AlGaInP層上成長(zhǎng)一既不吸光又具有良好導(dǎo)電性之電流散布層(Current Spreading Layer)來(lái)加寬發(fā)光面積。一般是以P-AlGaAs，鋁

含量大于70%以上。而綠色LED時(shí)，因?yàn)槟芟秵?wèn)題，故使用P-GaP為電流散布層（如圖3-4）。目前由美國(guó)制造出波長(zhǎng)比較短之554nm AlGaInP綠色LED。

（3）仿效高亮度紅色LED之DDH結(jié)構(gòu)。在GaAs基板上長(zhǎng)一不吸光的AlGaAs基板，此基板的鋁含量須大于0.75，厚度介于70-90微米之間。

2、結(jié)晶成長(zhǎng)技術(shù)
由于AlGaInP中的鋁在固液態(tài)之分布系數(shù)差異極大，因此以LPE成長(zhǎng)AlGaInP，在鋁含量的控制上相當(dāng)困難，所以必須采用有機(jī)金屬氣相結(jié)晶法（MOVPE or MOCVD），或分子束結(jié)晶法（MBE）來(lái)成長(zhǎng)，這是因?yàn)椴煌贚PE，鋁在固、氣相之間的分布系數(shù)幾乎相同，因此可輕易控制固態(tài)中鋁含量，再加上MOVPE具有均勻度良好，可長(zhǎng)出界面性極佳之薄層結(jié)晶及易量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，目前AlGaInP多以此方法長(zhǎng)成。
3、應(yīng)用
因其發(fā)光效率良好且亮度高，故可用于戶外顯示需要高亮度的產(chǎn)品，如戶外看板等。

SiC----碳化矽藍(lán)色發(fā)光二極管（Ⅳ族）

目前主要制作藍(lán)色LED的材料為碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、硫化鋅（ZnS）及硒化鋅（ZnSe），碳化矽是屬于間接能帶的材料，其余皆為直接能帶材料。目前碳化矽的制作方式是以LPE來(lái)成長(zhǎng)，所發(fā)出藍(lán)光的亮度平均可達(dá)12mcd，平均壽命也在5000小時(shí)以上。碳化矽藍(lán)色LED目前早有產(chǎn)品問(wèn)世，且價(jià)格也逐漸下降，然而由于亮度偏低，但價(jià)格比起其他顏色的發(fā)光二極管仍高出很多，而限制了其用途，未來(lái)亮度雖可提高至20-30 mcd，但亮度仍太低，因此只是一種過(guò)渡型的產(chǎn)品。未來(lái)藍(lán)色LED的主力仍在氮化鎵（GaN）、硫化鋅（ZnS）及硒化鋅（ZnSe）上。

ZnSe----硒化鋅藍(lán)色發(fā)光二極管（Ⅱ-Ⅵ族）

1、元件構(gòu)造與發(fā)光特性
硒化鋅在藍(lán)色發(fā)光元件上受到重視是因?yàn)樗幸?.68電子伏特的直接能隙，且其可很匹配地長(zhǎng)在GaAs基板上，要長(zhǎng)出純藍(lán)色的藍(lán)色發(fā)光二極管已可做到。硒化鋅元件目前以n-ZnSe/p-ZnSe/GaAs制作（如圖3-5），在300K時(shí)，可發(fā)出波長(zhǎng)為461nm的藍(lán)光。

2、結(jié)晶成長(zhǎng)技術(shù)
使用MOCVD或MBE已經(jīng)可以很容易地在晶格常數(shù)非常匹配的GaAs上長(zhǎng)出品質(zhì)良好的硒化鋅晶膜。而純藍(lán)色的p/n接面硒化鋅LED就是使用MOCVD長(zhǎng)成，方法為使用鋁參雜的N型硒化鋅結(jié)晶層和氮參雜的P型硒化鋅結(jié)晶層來(lái)制作，其中N型的硒化鋅結(jié)晶層要在鋅較多的條件下成長(zhǎng)，P型的硒化鋅結(jié)晶層要在硒較多的條件下成長(zhǎng)，如此便可制作出純藍(lán)色的硒化鋅LED。

3、應(yīng)用
在全彩化的條件中，必須具備三種基本的顏色，即紅、綠和藍(lán)三色，其中紅色和綠色LED遠(yuǎn)早于藍(lán)色LED被開(kāi)發(fā)出來(lái)，故在藍(lán)色發(fā)光二極管被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，及宣告LED全彩化時(shí)代已降臨，有助于戶外大型看板視覺(jué)上的改進(jìn)。

GaN--氮化鎵藍(lán)色LED ＆ InGaN—氮化銦鎵高亮度藍(lán)色LED（Ⅲ-Ⅴ族）

1、元件構(gòu)造與發(fā)光特性
此種半導(dǎo)體材料的制作是由日本人中村修二（Shuji.Nakamura）博士所研發(fā)，當(dāng)在其研發(fā)的時(shí)后，大多數(shù)人皆一致看好ZnSe材料，但經(jīng)過(guò)中村博士不斷的努力，比較后制作出目前極為熱門(mén)的GaN藍(lán)光半導(dǎo)體元件。 GaN采用藍(lán)寶石（Sapphire）作為基板，并在基板上先長(zhǎng)出一層以GaN為材料的的緩沖層（GaN Buffer Layer）以降低晶格不匹配的問(wèn)題，比較后做出了PN接面二極管（圖3-6），其在當(dāng)時(shí)已是非常了不起的高功率藍(lán)色LED。然而為了提高亮度采用P-GaN/N-InGaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖3-7），此時(shí)所發(fā)出的藍(lán)色光波長(zhǎng)為440nm，但其亮度仍不是戶外所能使用的燭光級(jí)。由于前述的材料結(jié)構(gòu)所發(fā)出之光仍不夠亮，且波長(zhǎng)偏紫色，故進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。首先以Zn參雜InGaN發(fā)光層以提高亮度，再將GaN改為AlGaN以擴(kuò)大發(fā)光層與夾層的能障，成功地完成了燭光級(jí)的高亮度In0.06Ga0.94N/Al0.15Ga0.85N （圖3-8），波長(zhǎng)為450nm，發(fā)光強(qiáng)度為1200mcd，并進(jìn)而將此藍(lán)色LED商品化。

2、結(jié)晶成長(zhǎng)技術(shù)
中村博士于1990年9月使用創(chuàng)新技術(shù)的雙氣流（two flow）MOCVD，用于GaN的結(jié)晶生長(zhǎng)，并改良使用GaN作為緩沖層的材料，成功地克服了晶格匹配的問(wèn)題。再者發(fā)現(xiàn)使用熱退火的制程，突破GaN結(jié)晶膜P型化的問(wèn)題。上述兩種技術(shù)的突破，可謂造成今日GaN或InGaN藍(lán)色發(fā)光二極管成功的重大因素。

3、應(yīng)用
在全彩化的條件中，已有紅色和綠色高亮度LED，現(xiàn)在藍(lán)色高亮度發(fā)光二極管也被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，更有助于戶外大型看板視覺(jué)上的改進(jìn)。

InGaN—氮化銦鎵高亮度藍(lán)綠色LED （Ⅲ-Ⅴ族）

上述中的高亮度藍(lán)色I(xiàn)nGaNLED，雖然解決了室外全彩化看板的問(wèn)題，但由于其所發(fā)出的光太藍(lán)了，所以不適用于交通號(hào)志上。有鑒于此，中村博士將發(fā)光層的InGaN中的In含量增加，以使其發(fā)光波長(zhǎng)能介于藍(lán)綠色的范圍。此外，又在InGaN發(fā)光層（上圖3-8）中同時(shí)參入Zn和Si以提高功率，比較后做出波長(zhǎng)為500nm，亮度為2000mcd的高亮度In0.23Ga0.77N/Al0.15Ga0.85N藍(lán)綠色LED并進(jìn)行商品化。 InGaN單一量子井（SQW）結(jié)構(gòu)高亮度藍(lán)、黃、綠、紫LED（Ⅲ-Ⅴ族） 將InGaN高亮度藍(lán)綠色LED中的In含量增加時(shí)，無(wú)法做出波長(zhǎng)大于500nm的綠、黃色LED，原因是因?yàn)榫Ц癯?shù)不匹配所致。為了改善此現(xiàn)象，中村博士采用了量子井結(jié)構(gòu)來(lái)解決此問(wèn)題（圖3-9），在N-InGaN與P-AlGaN間再生長(zhǎng)一層不參雜，僅20Å之In xGa1-xN單一量子井結(jié)晶層作為活性層，并調(diào)整其In含量（不同的顏色時(shí)，其三元材料的含量皆不同）以制作SQW高亮度藍(lán)色（x=0.2）、綠色（x=0.43）、黃色、紫色（x= 0.09）LED，波長(zhǎng)分別為450nm、525nm、590nm和4