【毕业学位论文】（Word原稿）氮化铟镓量子井雷射之电子溢流现象与电洞不均匀性探讨-物理学

国立彰化师范大学物理研究所 硕士论文 指导教授：郭艳光 教授 氮化铟镓量子井雷射之电子溢流现象与电洞不均匀性探讨 of 究生：张志原 撰 中华民国九十一年六月 i 国立彰化师范大学物理研究所 硕士论文 研究生：张志原 氮化铟镓量子井雷射之电子溢流现象与电洞不均匀性探讨 of 论文业经审查及口试合格特此证明 权书 (博硕士论文 ) 本授权书所授权之论文为本人在 彰化师范 大学 物理 研究所 90 学年度第 2 学期取得 硕 士学位之论文。 论文名称： 氮化铟镓量子井雷射之电子溢流现象与电洞不均匀性探讨 同意 不同意 本人具有著作财产权之论文全文资料，授予行政院国家科学委员会科学 技术资料中心、国家图书馆及本人毕业学校图书馆，得不限地域、时间与次数以微缩、光碟或数位化等各种方式重制后散布发行或上载网路。本论文为本人向经 济部智慧财产局申请专利的附件之一，请将全文资料延后两年后再公开。 (请注明文号： ) 同意 不同意 本人具有 著作财产 权之论文全文资料，授予教育部指定送缴之图书馆及本人毕业学校图书馆，为学术研究之目的以各种方法重制，或为上述目的再授权他人以各种方法重制，不限地域与时间，惟每人一份为限。 上述授权内容均无须订立让与及授权契约书。依本授权之发行权为非专属性发行权利。依本授权所为之收录、重制、发行及学术研究利用为无偿。上述同意与不同意之栏位若未钩选，本人同意视同授权。 指导教授姓名： 郭艳光 研究生签名： 学号： 8922208 (亲笔正楷 ) (务必填写 ) 日期： 民国 91 年 6 月 15 日 1. 本授权书请以黑笔撰写并影印装订于书名页之次页。 2. 授权第一项者，请再交论文一本予毕业学校承辨人员或径寄 106北市和平路二段 106 路 1702 室国科会科学扳术资料中心王淑贞。（电话 02 3. 本授权书已于民国 85 年 4 月 10 日送请内政部著作权委员会 (现为 经 济 部智慧财产局 )修正定稿。 4. 本案依据教育部国家图书馆 (85)图编字第 712 号函辨理。 谢 对于本篇论文的完成，首先要感谢我的指导教授郭艳光老师这五年来（从大二到现在）无私的教诲与指导，使我从当初懵懂无知的小毛头成长为现今的我。他的一些生活习惯与态度，如：对学生的热忱、对环保的执着以及生活上的洁癖等等，虽然在相处的当时会觉得稍许的麻烦与不耐，但是却在不知不觉间对我们产生了潜移默化的作用，使我们在待人处世以及生活态度上更加的积极与成熟。在此，致上我最深切与诚恳的感谢。 感谢三位口试委员 百忙中拨空来参加我的硕士论文口试，并且给予我相当中肯与实用的建议，由于他们的指导与建议，使我对所研究的内容有更深入的了解与体会。另外特别要感谢系上的杨淳青老师，他的支持与鼓励给予我相当多的信心与面对问题时的勇气。 感谢实验室的伙伴们：由于国凯学长的指导与协助，使我在刚加入实验室时能很快的进入状况，他那开朗的个性与爽朗的笑声更是枯燥的实验过程中最佳的调剂；谢谢老同学文伟与郁妮这两年来的陪伴，这段一同挨骂、一同熬夜的日子将是令人难以忘怀的；也要谢谢实验室最可爱的学弟们：诒安、志康、鸿铭、嘉庆，因为他们让我的生活更加的多采多姿且充满欢笑。 特别要感谢我最亲爱的家人：爸爸、妈妈、老姊以及欣玲， 由于有他们多年来的付出与支持，使我在求学过程中得以专心致志；在此仅以此论文献给他们。最后，要感谢所有曾经给予过我帮助的人们。 录 目录 . 中文摘要 . 英文摘要 . x 图表索引 . 第一章 绪论 . 1 、绿光发光元件简介 . 2 化铝镓系统与磷化铝镓铟系统 3 化镓系统 . 3 化锌系统 . 4 化硅系统 4 . 4 化铟镓发光元件简介 . 6 第二章 氮化物系统之材料特性简介 . 10 板 . 10 v 宝石基板 . 11 化硅基板 . 11 板 12 他可用的基板 . 13 带间隙 . 14 隙补偿差 . 19 子有效质量 . 23 格常数 . 25 晶法 . 26 第三章 氮化铟镓单一量子井雷射之电子溢流现象 . 29 成电子溢流的原因 . 30 因一：临界电流值较高 30 因二：量子井宽度较窄 31 因三：电洞不容易传输至活性区中 31 因四：导电带的能隙补偿差较低 32 拟结构与参数设定 . 33 拟结果与分析 . 34 化铟镓单一量子井雷射之电子溢流现象 . 34 善方法一：提升 p 态掺杂浓度 . 37 善方法二：使用 p 态阻碍层 . 41 佳结构设计：同时使用方法一与方法二 . 46 佳结构与初始结构之比较 . 50 论 . 52 第四章 氮化铟镓量子井雷射之电洞不均匀现象 . 54 言 . 54 拟结构与参数设定 . 56 拟结果与分析 . 56 子井个数与雷射性能之关系 . 56 量子井间的电洞分布不 均匀现象 . 58 性区的吸收效应 . 61 覆层 p 态掺杂 . 64 论 . 70 五章 结论 . 71 参考文献 . 73 附錄 A 模拟软体（ 使用说明 . I 料系统与参数设定 . I 式 所能 模拟的系统、结构 . 论计算与原理 . 拟所能获得的结果与资料 . 要操作程序与流程 . 骤一：建立 . 接撰写 . 形操作介面 . 骤二： . 骤三： . 骤四： . 骤五： . 骤六： . 步骤七： . 附錄 B 模拟中所 使用的完整程式内容 . . . . . 附錄 C 论文发表清单 . 定英文杂志论文： 5 篇 . 文杂志论文： 3篇 . 讨会论文： 15篇 . 文摘要 本论文主要在探讨氮化铟镓蓝光雷射之电子溢流效应与活性区的电洞分布不均匀现象。在文章的一开始首先简介氮化铟镓相关系统的材料特性及其发展历程，并对此一材料发展过程中所遭遇过的已解决以及尚未解决的重大问题作一些概略性的说明。 在文章的主体部分，我利用模拟软体 探讨氮化铟镓单一量子井雷射与多量子井雷射之各项 光学特性与雷射效应，并将研究重点放在电子溢流与电洞分布不均匀现象对发光效率的影响，及其可能的解决方法。由于氮化铟镓异质接面之导电带能隙补偿差较小，再加上电洞之有效质量较大，因此可以预期其电子溢流现象应该相当严重，模拟结果证实了此项推论。此外，过大的有效质量也会进一步影响电洞的移动速率，并造成各量子井间不均匀的电洞浓度分布，严重地影响元件的效能，尤其是多量子井元件。 为了改善电子溢流的现象，我试着去增加 p 态薄膜的掺杂浓度以及在活性区之上使用氮化铝镓阻碍层，结果成功地抑制溢电流的产生，并大幅地提升系统的效能及其 对温度的稳定性。此外，经由对活性层旁的披覆层进行适度的 p 态掺杂，也有效地改善了活性区内的电洞不均匀现象，并且同样的造成系统效能的大幅提升。 x n I of of in of I of A of to is of I to of is to of on of of of to My In a As a of In to of of xi In it of to of of 表索引 圖 各种使用于可见光发光二极体之材料系统的发光效能与发展年份之关系图。 . 5 圖 板示意图。 13 圖 氮化物及部份可用基板之能带间隙（特性波长）与晶格常数之分布图。 14 圖 利用理论模拟（ 拟）与实验结果（光激萤光法）相对照，以获得氮化铟镓三元化合物之弯曲参数。其中所获得之弯曲参数值为 . 18 圖 两种不同形式之能带组合示意图。其中 别代表导电带以及价电带之能隙补偿差。 . . 20 圖 (a)没有任何压电场以及 (b)具有应力所造成的压电场两种情况下之能带结构图。 . 22 圖 双流法 a)反应炉以及 (b)原理示意图。 . 27 圖 在能带间隙相同的情况下，两种不同能隙补偿差比例之能带结构图；其中导电带能隙补偿差较小的结构之溢流程度较严重。 32 圖 模拟中所使用的氮化铟镓单一量子井雷射之初始结构图。 34 圖 初始结构之 (a)溢电流密度与活性区电流密度在不同输入电流密度下之变化 图； (b)雷射输出功率对电流之变化图。 . 35 圖 初始结构在输入电流为 200 之能带结构图（虚线为准费米能阶）。其中图 (b)为图 (a)在活性区附近之放大图。 . 36 圖 p 态浓度增加为 31017 他参数均维持不变）后之 (a)溢流密度与活性区电流密度在不同输入电流密度下之变化图；(b)雷射输出功率对电流之变化图。 . 38 圖 不同 p 态掺杂浓度下之 (a)溢电流密度对总电流密度之变化图；(b)雷射输出功率对输入电流之变化图。 . 39 圖 三种 不同结构之氮化铟镓单一量子井雷射。 (甲 )未加入阻碍层之原始结构； (乙 )在 p 态氮化镓薄膜之后加入一氮化铝镓阻碍层； (丙 )直接将氮化铝镓阻碍层加在活性区之后。 . 42 圖 (a)结构乙与 (b)结构丙在不同输入电流下之溢电流分布。 . 43 圖 (a)结构乙与 (b)结构丙之输出功率对输入电流之变化图。 . 44 圖 氮化铝镓阻碍层之铝的浓度为 (a)10 %与 (b)30 %时之能带结构图（电流为 200 . 47 圖 较佳结构（阻碍层之铝浓度为 10 %、 p 态浓度为 11018 (a)溢电流密度与活性区电流密度在不同输入电流密度下之变化图； (b)雷射输出功率对电流之变化图。 . 48 圖 较佳结构（阻碍层之铝浓度为 10 %、 p 态浓度为 11018 不同温度下之溢电流分布图。 . 49 圖 氮化铟镓单一量子井雷射之功率转换效率图；图中三角形实线所示为原始结构（图 结构）之特性，正方形虚线则为较佳结构（阻碍层之铝浓度为 10 %、 p 态浓度为 11018 特性。 . . 50 圖 氮化铟镓单一量子井雷射在不同操作温度下之临界电流分布图；图中三角形实线所示为原始结构（图 结构）之特性，正方形虚线则为较佳结构（阻碍层之铝浓度为 10 %、 p 态浓度为 11018 特性。 . 51 圖 人所发表的量子井个数与临界电流之关系。其中图 (a)与图 (b)个别摘自参考文献 50、 51。 . 55 不同量子井个数之氮化铟镓半导体雷射的输出功率与电流之关系图。 . . 57 圖 氮化铟镓 (a)单一量子井雷射 (b)双量子井雷射 (c)三量子井雷射在输入电流为 200 之能带结构图；其中右图为左图在活性区附近之放大图。 . 59 圖 氮化铟镓 (a)单一量子井雷射 (b)双量子井雷射 (c)三量子井雷射在输入电流为 200 之载子浓度分布图；其中左图为电子浓度，右图则为电洞浓度。 . 60 圖 氮化铟镓双量子井雷射与三量子井雷射之自发辐射率图以及受激放射率图（输入电流为 200 . 62 圖 019 入电流为 200 . 66 圖 氮化铟镓 (a)双量子井雷射与 (b)三量子井雷射在不同披覆层掺杂浓度下之输出功率与电流之关系图。 . 67 圖 氮化铟镓单一量子井雷射与披覆层浓度为 019 . 69 表 化镓之能带间隙 及其温度相关的各项参数。其中 (a)代表使用来量测， (p)则是使用光激萤光法来来量测。 16 表 化铝与氮化铟之能带间隙及其温度相关的各项参数。 16 表 元氮化物（ 构）异质接面之价电带能隙补偿差（单位为 21 表 过修正后（去除掉压电效应之影响）之价电带能隙补偿差（单位为 23 文献中氮化铝（ 构）之有效质量的整理资料。 24 表 文献中氮化镓（ 构）之有效质量的整理资料。 24 表 文献中氮化铟（ 构）之有效质量的整理资料。 24 表 文献中氮化铝、氮化镓与氮化铟（ 构）之晶格常数的整理资料。 25 表 不同 p 态浓度之氮化铟镓单一量子井雷射的各项模拟结果整理。其中斜率效率之选取范围为临界电流至临界电流以上 5 10 . 40 表 具有不同铝浓度氮化铝镓阻碍层 之氮化铟镓单一量子井雷射（结构 (乙 )）的各项模拟结果整理。其中斜率效率之选取范围为临界电流至临界电流以上 5 10 . 45 表 具有不同铝浓度氮化铝镓阻碍层之氮化铟镓单一量子井雷射（结构 (丙 )）的各项模拟结果整理。其中斜率效率之选取范围为临界电流至临界电流以上 5 10 . 45 1 第一章 绪论 在迈入二十一世纪的今天，影响我们日常生活最大的光源似乎仍然是一般传统的灯泡，如日光灯、钨丝灯泡等等，但是光电半导体如发光二极体 (及雷射二极体 (在 不知不觉间悄悄的侵入了我们的生活，譬如说一般家用电器的电源显示大都使用红光或黄光的机车的煞车灯、尾灯也慢慢变成 组，此外红色的雷射光笔也被广泛地运用在演讲、教学中，光碟机中更藏着我们看不到的雷射读写头。因此，随着成本的降低、更多光源的开发 (如蓝绿光元件 )，光电半导体正一步一步的影响我们的生活，甚至有一天可望取代传统光源，而成为照明的主力。 目前在可见光区域的光电半导体中，以磷化铝镓铟 (红黄光材料以及氮化铟镓 (蓝绿光材料居于主导的地位；其中氮化铟镓材料系统因 为晶格不匹配等问题 1-4，严重影响其发展进程。直到 80 年代末期高品质的 p 态氮化镓薄膜研发成功后 1，各种突破性的进展在往后的数年间纷纷被研究出来；其中日本的日亚公司在这一波的研发浪潮中占了举足轻重的地位，除了提出许多爆炸性的技术改进外，更首次将氮化铟镓蓝绿光发光二极体、蓝光雷射推上商业化量产的里程碑。 即使氮化铟镓材料在过去十多年间已经被广泛的研究与讨论，但2 是由于许多的现象与理论仍然未能被合理、有系统的解释，再加上其市场价值高、发展潜力大，因此直至今日，此一材料系统仍然是众多厂商、研究单位的发展重 心与主力。本章接下来的部份将针对蓝、绿光发光元件以及 氮化物系统作一些基本的发展简介，至于氮化物系统的一些材料以及元件特性，则将在之后的章节中有更为详细的说明。 、绿光发光元件简介 发光二极体与雷射二极体由于具有体积小、重量轻、高亮度、高效率、高反应速度，以及使用寿命长等多项优点 3，因此逐渐有取传统光源而代之的趋势；但是在其整体的发展历程中，却存在着一项严重的问题，因而影响其推广与普及化：缺少高效率、高亮度的短波长元件，例如蓝光与绿光发光二极体。由于蓝光与绿光均属于三原色（红、蓝、 绿）之一，因此在全彩显示器、白光光源等应用上是不可或缺的，是以他们的缺席确实阻碍了半导体发光元件在实际上的应用与普及。因此，许多研究人员纷纷投入短波长发光元件的研发与改良，包括：第 的碳化硅（ 的硒化锌（ 材料都已经被广泛的研究 1,3，本节接下来的部份将就可能应用在蓝、绿光波段的半导体材料做一概略性简介，并说明其优缺点。 3 化铝镓系统与磷化铝镓铟系统 在可见光的长波长（红、黄光）部分，由于发展较早再加上具有晶格匹配又可导电 的砷化镓基板，因此整体的发展技术已达成熟的阶段，其中最具代表性的材料系统有两个：砷化铝镓系统与磷化铝镓铟系统。砷化铝镓红外线与红光元件在 90 年代以前就已经发展的相当完善，但是若要往更短波长发展（增加铝的含量），则会遭遇到间接能隙（ 性愈趋明显 3，以及高铝含量所衍生的缺陷问题，因而严重影响系统的效能。 相较于砷化铝镓，磷化铝镓铟系统因为具有较大的能带间隙（ 因此已经被广泛的使用在红、黄、绿光发光二极体与红光雷射上，其中绿光发光二极体之发光波长 为 570 于黄绿光，而非纯的绿光），外部量子效率约为 1 %；一旦其发光波长要再往更短波长发展，则会遭遇到与砷化铝镓系统类似的问题，使得整体的效能大幅的往下降 1，并因此而无法达到商业化的性能要求。 综合以上的结论，我们可以知道要获得高亮度、高效率的纯粹绿光（ 510 530 光二极体，使用这两种在长波长区域已然高度发展的材料是不可行的。 化镓系统 另一个常用的绿光发光二极体为磷化镓发光二极体，其发光波长为 555 旧是黄绿光），外部量子效率则仅约为 ；这么小 的4 效率是由于磷化镓是属于间接能隙的材料 1,3，因此磷化镓仍然不是高效率蓝、绿光元件的适当材料。 化锌系统 在 的材料中，硒化锌系统由于具有够大的能带间隙，且属于直接能隙的材料，再加上具有晶格匹配的砷化镓基板（需适当的调整材料的成份比例），因此曾引起众多学者的注意并投入研发工作；但是由于其元件之使用寿命过短（绿光发光二极体约 100 小时、绿光雷射则仅约 1 小时），因此严重影响其商业化的可能性。至于其过短的生命周期则是来自于晶体本身的缺陷 1,3,4。 化 硅系统 第 的碳化硅材料则是另一个能带间隙较高的材料，并且具有热导率高、掺杂容易等优点，因此成为最早商业化的蓝光发光二极体。但是由于其能隙结构属于间接能隙，再加上不易形成异质接面结构（ 故发光效率不高；只是在没有其他高亮度、高效率的蓝光元件大量供应下，碳化硅材料仍然存在其市场价值 1,3。 氮化物系统 本篇论文所指的 氮化物主要为氮化铝镓铟（ 列材料，未包含硼（ B）与铊（ 种原子的原因主要是因为它们的原子 大小较为极端（太小或太大），再加上其化合物之发光波长不在可5 见光范围内，因此目前大多数的研究人员均只将研究重点放在氮化铝镓铟系列上。 氮化物系统由于能带结构属于直接能隙，且能带范围很广（ 6.2 因此相当适合于短波长区域的应用。但是由于缺乏晶格匹配的基板（以最常被使用的蓝宝石基板为例，其晶格不匹配度高达 ），所以一直不被科学界所重视，直到最近十多年间长晶技术有了大幅度的突破，才引起众人的注意，并成为目前蓝、绿光发光元件的发展主流。 图 种使用于可见光发光 二极体之材料系统的发光效能与发展年份之关系图。 图 历年来各种可见光发光二极体材料系统之发光效能与发展年份之关系图 3。从图中可以看出随着年份的增加以及材料系统的开6 发，发光二极体的效能成倍数的增加（从 60 年代末期到 90 年代中期，系统的效能整整增加了数百倍之多）。此外，图 显示出大多数高效能的发光二极体均属于红、黄光波段，蓝、绿光元件的系统效能并不佳，唯一的例外是氮化铟镓发光二极体；氮化铟镓材料自 90 年代初期窜起后，其系统效能在短短的数年间急剧的增加，直逼磷化铝镓铟红、黄光发光二极体，并因而 成为当前蓝、绿光发光二极体的主流材料。氮化物相关的特性与发展将在下一节中有更详细的说明。 化铟镓发光元件简介 如同前面所提到的， 氮化物在短波长区域具有相当大的潜力，因此在没有合适的短波长光源的情况下，应当是可以有很大的发展空间。可是事实却不然，氮化物元件直到 80 年代末期才开始引起众多学者的注意，并投入大量的研究人力与资源；其主要的原因有两点：一是找不到晶格相匹配的基板，另外一个原因则是不容易获得高品质的 p 态薄膜 1,3。 在 80 年代，光电半导体相关元件由于技术与理论渐趋成熟， 因此开始蓬勃发展。但是大部分学者在开发新的元件时往往将晶格匹配列为最优先的条件之一 1，这是因为就当时的技术而言，要将与基板晶格不匹配的材料成长成高品质的晶片是相当不容易的，并且所形成元件的生命周期也比较短。这也是为什么当时的研究人员不看好氮化物系统，而将大部分的时间花在探讨其他晶格匹配的材料上（例如：长在7 砷化镓基板上的硒化锌材料）的原因。 另外一个阻碍氮化物发展的原因则是 p 态薄膜的成长较为困难1-4。早期的氮化镓薄膜往往在未经掺杂的情况下呈现出 n 态的特性，这种现象被认为是来自于氮原子的空缺（ 或是氧原子取代部分氮原子所造成的 1。不论是上述哪一种情况，对晶体而言都是缺陷的表现，因此在当时高品质的氮化镓薄膜不易获得。而就 p 态的氮化镓薄膜而言，这种长晶困难的问题更为明显，其主要的原因是来自于受子（ 子与氢原子的化合，而造成晶体钝化（ 现象 1。由于缺乏高品质的 p 态薄膜，因此严重的阻碍氮化物进一步形成有用的二极体元件，如发光二极体与雷射二极体。 随着长晶技术的进步，上述的现象也都渐渐获得解决，但是就元件的运用来说仍然存在一个 严重的问题：晶体的缺陷密度太高。在运用 板 4,5来降低缺陷的情况下，缺陷密度仍然高达 107 5，这样的结果虽然已经远较直接长在蓝宝石基板上的缺陷密度（约 1010 得低 5，但是仍然比晶格匹配的系统明显的大了许多。 人的研究指出成长在 板（缺陷密度较低）与蓝宝石基板（缺陷密度较高）上的蓝光发光二极体之输出功率及量子效率均雷同 5，显示出在氮化物元件中大部分的缺陷并 不会形成非放光性再结合中心（ 而影响元件的发光效能。此外，氮化镓相关材料的长晶温度常常高达 1000右 1-3，8 再加上高温退火的处理过程，使得原子彼此间具有充分的能量进行适当且紧密的排列，是故其元件虽然缺陷密度高但结构却相当稳固，不容易损坏。 另外一个对氮化物有利的条件则是易于形成异质接面结构；经由适当调整第 元素的成份比例，就可以获得异质接面甚至双异质接面之结构，这种结构的形成对元件效率的提升有相当大的帮助。在之前曾经提到 其他材料的发展过程中，间接能隙的能带结构影响了许多元件的发光效率，并因而阻碍其发展与应用；在氮化物系统中则没有这一方面的顾虑，因为氮化铝（ 氮化镓（ 氮化铟（ 属于直接能隙材料，因此其合成的三元或四元化合物也就都属于直接能隙的特性，发光效率都很高。 此外，上述三种二元化合物的能带间隙分别为 6.2 3.4 为概略数值，在第二章中将有详细的文献探讨），如果适当的调整其成份，三元或四元化合物的波长范围将可涵盖整个可见光范围与部份紫外光区域；这种宽广的能带间隙范 围正是 氮化物发光元件的发展潜力之一。 如同前面所叙述的，氮化物虽然具有许多研究人员所不欲见到的问题，但却也有不少的优点存在；科学家们就针对这些优点去加以突破、发展，终于得到了耀眼的成果。西元 1993 年，日本的日亚公司成功地制造出商业化的氮化镓蓝光发光二极体 1； 1996 年，绿光发光二极体也进入商业化阶段 1；随后在 1999 年更进一步达到了紫外光雷射9 二极体量产的目的 6。 以上这些发展历程不只代表了 时也宣示着全彩时代的来临。经由氮化物的参予， 从此以后，更多样的产品与应用，如：户外大型全彩显示器、高亮度白光光源、高密度 ，将大举入侵我们的生活，并进一步的提升生活水准与品质。但是这些成果并不代表着 反的许多原理探讨与系统最佳化工作仍有待我们进一步的努力，例如：压电效应的探讨、缺陷的排除、晶格匹配基板的研发等，以求进一步提升元件的效能。此外，除了深度的探讨之外，更多方面的推广与应用也应同时被注重，如：面射型半导体雷射的研发、被动 Q 开关半导体雷射的可能性等。藉由深度与广度同时的探讨，才能将氮化物的应用发挥的淋漓 尽致，推向另一个历史的里程碑。 10 第二章 氮化物系统之材料特性简介 氮化铝镓铟系统（简称为氮化物系统）是由三个二元的化合物：氮化铝、氮化镓、氮化铟所混合而成的三元或四元化合物。其材料特性会随着第三族元素所占的比例之不同而有所不同。此外，随着基板材料的不同，所成长出来的氮化物也可以大致被区分为六方晶系的 构以及立方晶系的 构这两种晶体结构 1，这两种结构的各项材料特性也各不相同。由于最近十多年来 此成为目前各方面发展的主流；接下来的材料特性探讨将以此一结构为主。 板 要获得高品质的半导体元件，基板的选择是相当基本与重要的一环。因为基板的品质会直接影响到形成元件后的各项特性，例如：基板与磊晶材料之间的晶格匹配程度会直接关系到元件内部缺陷的多寡，进而影响到元件的发光效率与使用寿命。一个会吸收发光元件之特性波长的基板对元件的发光效率有相当负面的影响，因此具有合适的基板可以说是形成高品质光学元件的必备要素之一。 在光电半导体材料中，氮化物是相当罕见没有合适的基板而又能高度发展的材料，这主要是因为 没有其他适当的短波长材料与之竞争，另一方面则归功于氮化物本身稳固的材料特性与够强的发光能力。接11 下来将针对数个常作为氮化物基板的材料来加以介绍；由于目前被广泛讨论的氮化物元件大部份是属于六方晶系中的 构，因此接下来所要介绍的蓝宝石基板、碳化硅基板、 板均属于这个结构。 宝石基板 蓝宝石（ 文名称为 板是目前最常用于氮化物磊晶的基板 1-4，具有价格便宜、硬度高、耐高温等优点；且在蓝绿光区域，蓝宝石是透明不吸光的。但是蓝宝石与氮化镓具有 相当高的晶格不匹配度（约 ），即使是在以氮化铝为缓冲层的情况下，其临界厚度（ 然只有 3 右 4，因此形成元件后往往具有相当高的缺陷密度。此外，因为蓝宝石本身是绝缘体且属于六方晶系，因此无论是 n 型电极的制作或共振晶面的形成都需要用到离子蚀刻的技术，不只大幅增加制作成本，且蚀刻面的粗糙度也会对元件的品质造成影响。尽管蓝宝石基板具有上述不可避免的缺点，但是由于在市面上以低价就可以获得大面积且高品质的晶体，再加上没有其他更好的基板可以加以利用，因此目前蓝宝石基 板仍然被广泛使用于氮化物元件 4。 化硅基板 六方晶系的碳化硅（ 6板是另一个常用的基板；其与氮化镓的晶格不匹配度（只有 ，若是跟氮化铝相比则更小）比蓝宝12 石基板来的小，且又具有高热导率、热膨胀系数与氮化镓相近、可直接断裂形成共振面等优点 6；再加上碳化硅可以导电又能 n、 p 态掺杂，因此电极可以制作在基板上，而不必再经过蚀刻等额外处理过程，除了可以简化结构外，也节省了一些制程上的额外花费。但是由于碳化硅基板造价较昂贵，在较短波长处又会吸收（碳化硅的能带间隙约为 7，因此目前主流的基板材料仍然是蓝宝石基板。 板 另外一种值得一提的基板是 板 4,5。它的主要目的是利用在氮化镓缓冲层中埋入周期性排列的长条状二氧化硅，以降低由于晶格不匹配所产生的晶格错位延伸到晶体内部。 板的制作方式是先在蓝宝石或碳化硅基板上长一层 0.2 m 厚的氮化镓缓冲层，接着再将厚 0.1 m、宽 7 8 上，接着再继续成长氮化镓薄膜。氮化镓会先在二氧化硅长条间的空隙中沉积，接着再横跨二氧化硅长条与另一边的氮化镓会合，最后形成连续且平坦的氮化镓薄膜。图 所示即为 板之结构示意图。上述 板的各项维度在不同的研究群中或许会有不同的设定，但基本的构造大致不变。 实验结果显示出这种利用 板所成长的氮化镓晶片能够有效的将缺陷集中在二氧化硅长条与长条之间 的中间上方区13 域，因此而降低二氧化硅长条与 上方区域之缺陷密度；主要的发光结构就是成长在这些缺陷密度较少的区域 上。由于元件必须要形成在缺陷密度较少的区域上方，因此元件的大小就会受到限制；此外，要让元件完整的位于缺陷少的区域也需要相当程度的技术支援；因此如何将低缺陷区域之面积扩大就显得相当重要。目前许多研究人员都已经开始朝这一方向努力，相信不久的将来就可以获得丰硕的成果。 图 板示意图。 他可用的基板 除了上述所描述的基板之外，科学家们也尝试要开发新的基板材料，期望能藉此而改善氮化物元件的各项特性与效能，包括：砷化镓、硅、 璃、石英玻璃与氧化锌等都曾被讨论过。图 所14 示为除了蓝宝石基板外，一些晶格常数与热膨胀率跟氮化物较匹配的基板；其中氧化锌（ a=、 c=）基板属于 构， 3a=）与氧化镁（ a=）基板则属于立方晶系的 2。 图 氮化物及部份可用基板之能带间隙（特性波长）与晶格常数之分布图。 带间隙 在光电半导体材料的各项性质中，能带结构以及能带间隙（有时被简称为能隙）值是相当重要的一项性质。因为材料属于直接能隙或间接能 隙会对元件的发光效率产生相当程度的影响，因此如果能提早知道这项特性，将有助于结构设计及材料选择的进行，这在能带范围15 涵盖直接与间接能隙两种能带结构的多元化合物系统（如磷化铝镓铟系统）尤其重要。此外，能带间隙的大小一旦确定，对元件设计以及发光波长的预测也将有相当大的帮助。 氮化物系统是由氮化铝、氮化镓和氮化铟三种二元化合物混合而成，其中三者的能带结构皆属于直接能隙，因此其化合而成的三元或四元的化合物（氮化铟镓、氮化铝镓、氮化铝铟以及氮化铝镓铟）也都具有直接能隙的特性；这代表着无论我们如何调整其成份及浓度都不会造成发光效率的大幅降低，此一特性正是氮化物会被看好能成为高效率蓝绿光元件的原因之一。 如同前面所提到的，氮化物主要是由上述三种二元化合物混合而成，因此其能带间隙