LED發展趨勢與模擬分析研討會郭艷光Yen-Kuang Kuo 美國南加州大學(USC)電機研究所博士

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LED發展趨勢與模擬分析研討會郭艷光Yen-Kuang Kuo 美國南加州大學(USC)電機研究所博士國立彰化師大物理系暨光電科技研究所教授電子郵件: 網頁:

LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士
彰化師大藍光雷射實驗室實驗室負責人：郭艷光老師實驗室成立時間：1998年7月實驗室成立背景：配合物理系推動之「藍光雷射計畫」，執行氮化銦鎵(InGaN)半導體雷射的元件設計、以及光學量測的研究工作。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

實驗室主要的研究能量本實驗室主要利用光激螢光法與電激螢光法來研究半導體雷射(LD)與發光二極體(LED)等光電半導體材料之光學與電子特性。此外，本實驗室之光學系統亦可量測穿透/吸收/反射光譜與拉曼光譜。光電實驗之外，我們也從事雷射二極體、發光二極體、與固態雷射的數值模擬與分析，使用的軟體包括LASTIP、PICS3D、APSYS、CASTEP、MATLAB等。目前研究以『數值模擬與分析』為主。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

郭艷光實驗室最近研究主題 InGaN LD/LED/VCSEL (200 nm < l < 570 nm) AlGaInP LD/LED/VCSEL (570 nm < l < 680 nm) AlGaInAs/InGaAsP/AlGaAs LD/LED/VCSEL (l = 1.3 mm, 1.55 mm, 850 nm) InGaAsN/InGaAsNSb LD/VCSEL (l = 1.3 mm, 1.55 mm) 有機發光二極體(Organic OLED, OLED) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

郭艷光實驗室主要軟體資源 LASTIP模擬軟體 (側射型半導體雷射 …) PICS3D模擬軟體 (面射型半導體雷射、DFB雷射、Self-Pulsation雷射 …) APSYS模擬軟體 (OLED、LED、RC-LED、太陽能電池、光偵測器、HEMT …) 國家高速電腦中心提供之CASTEP模擬軟體 (半導體能帶結構、光學與材料特性 …) 自購之MATLAB模擬軟體 (固態雷射、Passive Q-switching …) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

郭艷光實驗室主要硬體設備光學桌 (2台) 氦氖雷射 (632.8nm紅光光源) 氬離子雷射 (488nm藍光, 514.5nm綠光, 351.1nm紫外線光源) Nd:YAG雷射 (EO Q-switched, 1064/532/355/266 nm) 單色分光儀與鹵素燈寬頻光源 (穿透, 吸收, 反射頻譜測量) 波長選擇器 (Birefringent Filter) 發光二極體(LED/OLED)亮度與I-V特性測量儀 (PC-controlled) 半導體雷射/發光二極體電流源 (PC-controlled current source) 密閉式低溫系統 (10K ~ 325K) 液態氮冷卻電荷耦合器(CCD)光偵測器 (1340×100 Pixels) 鎖相放大器 (Lock-in Amplifier) 光電增倍管 (Photo-Multiplier Tube) 功率計 (Power Meters) (3組) 半導體摻雜濃度測量儀 (ECV, 適用於GaN系統) 快速示波器 (500 MHz Bandwidth, 5 GHz Sampling Rate) 快速光偵測器 (Response time ~ 1 ns) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

研討宗旨在政府積極推動光電半導體以及面板產業下，發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)、面射型雷射(VCSEL)、有機發光二極體(OLED)等光電元件，在眾多產業中前景持續看好。最近，在白光LED、DVD系統、光纖通訊、與超薄顯示面板的強烈市場需求下，紫外線LED、高功率雷射二極體、面射型雷射、以及OLED元件的研發工作，更是受到業界與學界的高度重視。在本研討會中，我們將以實際範例，從模擬分析的觀點說明LED、LD、VCSEL、OLED的設計準則，並且從各方面探討上述元件的光電特性與性能，希望演講內容能對與會人員有所幫助。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

模擬分析與元件設計使用模擬軟體除了可以省下大量嘗試錯誤的時間，並且可以節省研發經費，取得量產的先機。一個成熟的模擬軟體可以用來設計LED、LD、VCSEL、OLED等元件結構，預測元件的光學與電子特性，進而改善元件的性能，甚至可以用來研發新產品。在本研討會中，除了回顧近年來的光電半導體元件研發與產業發展趨勢，以及介紹光電半導體元件的基本工作原理之外，並將以實際設計經驗為例，說明LED、LD、VCSEL、OLED的設計準則，並且從L-I、I-V、熱效應、壓電效應、載子分佈、自發輻射與受激放射速率、微共振腔效應、發光頻譜、與遠場場型等方面，探討上述元件的光電特性與性能。這一些範例，大部分都與國內著名的學術與產業機構合作，有實驗數據可以相互驗證，因此相當具有參考價值。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

設計與分析工具的使用紫外線LED：APSYS模擬軟體 nm藍紫光雷射二極體：LASTIP模擬軟體 850-nm VCSEL：PICS3D模擬軟體上發光型OLED元件：APSYS/OLED模擬軟體模擬軟體購自Crosslight Software Inc. Free training license: 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

教學與OLED相關網頁郭艷光個人網頁：郭艷光教學網頁：藍光雷射實驗室OLED網站： 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

參考文獻 Yi-An Chang, Sheng-Horng Yen, De-Chung Wang, Hao-Chung Kuo, Yen-Kuang Kuo, and Shing-Chung Wang, 21 March 2006, “Experimental and theoretical analysis on ultraviolet 370-nm AlGaInN light-emitting diode”, Semiconductor Science and Technology, Vol. 21, pp Jun-Rong Chen and Yen-Kuang Kuo, 1 August 2006, “Optical gain and threshold properties of strained InGaAlAs/AlGaAs quantum wells for 850-nm vertical-cavity surface-emitting lasers”, Optics Communications, Vol. 264, pp Yi-An Chang, Jun-Rong Chen, Hao-Chung Kuo, Yen-Kuang Kuo, and Shing-Chung Wang, January 2006, “Theoretical and experimental analysis on InAlGaAs/AlGaAs active region of 850-nm vertical-cavity surface-emitting lasers”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 24, No. 1, pp Yen-Kuang Kuo and Yi-An Chang, May 2004, “Effects of electronic current overflow and inhomogeneous carrier distribution on InGaN quantum-well laser performance”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 40, No. 5, pp Yen-Kuang Kuo, Bo-Ting Liou, Mei-Ling Chen, Sheng-Horng Yen, and Cheng-Yang Lin, 15 February 2004, “Effect of band-offset ratio on analysis of violet-blue InGaN laser characteristics”, Optics Communications, Vol. 231, Issues 1-6, pp 張詒安、郭艷光、郭浩中、王興宗, 2004年3月, “紫藍光氮化銦鎵量子井雷射之模擬與分析”, 光學工程, 第85期, 第47至58頁. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

目錄發光二極體(LED)簡介 LED產業與技術發展 LED發光與設計原理 UV LED模擬分析藍紫光雷射二極體模擬分析 OLED發展現況與模擬分析 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)不同於一般白熾燈泡，屬於冷發光元件，具有耗電量低、元件壽命長、無須暖燈時間、反應速度快等優點。目前LED已普遍使用於資訊、通訊及消費性電子產品的指示器與顯示裝置上，成為日常生活中不可或缺的重要元件。未來LED將朝更多元的應用領域發展，可以提升應用性產品的品質，並且能夠達到節省能源的效果。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

發光二極體簡介發光二極體(LED)是一種由半導體材料所製成之光學元件。 LED的發光原理是利用半導體中的電子和電洞結合而發出光子。 LED的發光顏色取決於電子與電洞結合所釋放出來的能量高低，主要是由半導體材料的能隙大小、量子效應、應力、與壓電效應等特性所決定。 LED依發光波長分為可見光與不可見光兩大類。高亮度LED主要是以AlGaInP及InGaN系化合物所製成的LED。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

InGaAs、AlGaAs InGaAsP、AlGaInAs 資料來源： LED產業報告.doc 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

資料來源： DigiTimes Research，2006/6 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED用於LCD TV背光源優劣勢比較 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED用於LCD TV背光源技術改善方式及達成目標
資料來源：DigiTimes Research，2006/6 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED大廠Citizen於2006年4月發表40吋LED背光模組試製品，LED使用顆數為2,275顆、耗電量達280W，2007年目標為LED使用顆數降為1,600顆、耗電量為180W。 LED背光模組價格若以每年平均跌幅30%樂觀預估，至2008年後才能與CCFL背光模組價位接近；若保守預估，LED背光模組價格以每年跌幅約20%計算，則LED背光模組要大量取代CCFL背光模組時間，恐須得2009年以後。資料來源：DigiTimes Research，2006/6 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED應用於Citizen 40吋LCD TV背光模組
LED大廠Citizen於2006年4月發表40吋LED背光模組試製品，LED使用顆數為2,275顆、耗電量達280W，2007年目標為LED使用顆數降為1,600顆、耗電量為180W。 LED背光模組價格若以每年平均跌幅30%樂觀預估，至2008年後才能與CCFL背光模組價位接近；若保守預估，LED背光模組價格以每年跌幅約20%計算，則LED背光模組要大量取代CCFL背光模組時間，恐須得2009年以後。資料來源：Citizen，2006/4 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

資料來源：工研院IEK，2006/5 LED具有輕薄短小及省電特性，因此廣泛應用於手機光源，包括顯示器、按鍵背光及指示燈均使用LED作為光源，其於手機光源市場佔有率達95%。展望手機用LED未來發展，由於市場佔有率已相當高，再加上全球手機普及率攀升，手機用LED市場邁入飽和期。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

資料來源：Strategies (2006) 2005年全球一般照明用發光二極體市場需求達2.5億美元，2000至2005年的複合成長率高達44%。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

資料來源： LED產業報告.doc 白光LED在成本下滑的趨勢下，已逐漸往照明應用發展，惟受限於亮度仍不高，多以局部照明，如：手電筒、指示燈、枱燈等為主。 LED不含汞符合綠色環保要求、可靠度高、產品壽命高達10萬小時，且具低耗電量特性，在現今能源成本高漲之際，是節省能源的最佳選擇。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

資料來源：工研院IEK-ITIS計畫，2006/4 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

2006年全球LED產業發展，由於缺乏新興市場帶動，整體市場規模難有明顯成長，但受到亞洲新興國家擴產計畫保守，市場供需可望趨於平衡，產品單價下跌導致價格持平或緩跌，預測2006年全球LED市場規模較2005年成長8%，達62.3億美元。資料來源：工研院IEK-ITIS計畫，2006/4 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

全球藍光晶粒產能概況 2004年起在廠商擴產心態漸趨保守下，全球藍光晶粒產能之擴充速度已逐年趨緩，預期2006年僅成長12.9%。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

一般藍光與ITO藍光晶粒價格走勢一般藍光晶粒單價近兩年已回穩；高亮度ITO藍光晶粒在04及05年跌幅分別達34%及32%，但預期06年跌幅將縮小至20%以下。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

2005年全球LED市場產值受到產品單價快速下滑的影響，產值成長率大幅下滑至6.4%。所幸在未來幾年內，LED應用在中大型面板背光、車用及裝飾照明市場將持續成長，LED產值成長率亦將漸漸回升。我國LED產值成長率表現也在05年掉至谷底，此後之年成長率將回升至10%以上。大體而言，我國產值成長率在未來幾年內將持續優於全球市場表現。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

資料來源： LED產業報告.doc中引用拓墣產業研究所、光電所IT IS之調查。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

由亞東投顧(2005)所作的LED產業趨勢探討與分析一文中，其中引自工研院對LED產業結構的研究，如上表所示。可看出台灣LED廠商多集中於LED製程階段，包含磊晶、晶粒崩裂及封裝作業，而在材料、設備方面大多還是掌握在國外廠商手中。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

III-V & II-VI: LED/LD & Photo-detector
光電半導體材料 I II IIb III IV V VI 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 19K 20Ca 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 37Rb 38Sr 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 55Cs 56Ba 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po IV: Photo-detector III-V & II-VI: LED/LD & Photo-detector 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Dominant Wavelength , D ( nm )
可見光區的光電半導體材料 Dominant Wavelength , D ( nm ) 300 400 500 600 700 AlGaAs (AlxGa1-x)0.5In0.5P InGaN 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

AlGaInP LED材料為了讓AlGaInP薄膜長在GaAs基板上晶格可以匹配，In的含量必須佔第III族原子的50%。  化學式為(AlxGa1-x)0.5In0.5P AlGaInP直接能隙與間接能隙曲線在555 nm交叉，發光波長在570 nm(黃綠光)與650 nm(紅光)之間時，發光效率相當好。交通號誌燈所使用的紅光及黃光LED均為AlGaInP LED。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

直接能隙與間接能隙半導體材料 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

人眼對光之敏感度頻譜 Human eyes are sensitive to green light (~555 nm), and hence the development of green (or yellowish green) AlGaInP LED is desirable. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

InGaN LED材料 InGaN沒有晶格匹配的基板，大部分長在不導電的藍寶石(Al2O3)基板上。可以導電的碳化矽(SiC)也是不錯的InGaN基板，不過因為價格昂貴，較少被業界採用。 InGaN發光範圍橫跨整個可見光區與紫外線，但是黃綠光到紅光(570 nm~650 nm)這一個波段，目前還無法和AlGaInP做商業性的競爭。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

InxGa1-xN LED的發光範圍 Eg  x · Eg,InN + (1-x) · Eg,GaN – b · x · (1-x)
b  Bowing Parameter Eg,InN = 0.77 eV, Eg,GaN = 3.42 eV, b = 1.43 eV Reference: Wu et al., Appl. Phys. Lett. 80, 4741, 2002. III-N is very efficient between 250 nm and 570 nm. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

InGaN LED的結構 p-Electrode n-Electrode p-GaN p-AlxGa1-xN InyGa1-yN n-AlzGa1-zN n-GaN GaN Buffer Layer Sapphire Substrate 正負電極都在基板的上方!! 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Nichia公司在1997年發表的InGaN半導體雷射
ELOG Substrate (Epitaxially Laterally Overgrown GaN Substrate) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

雙異質結構的電子與光子侷限 p-type Layer Index n-type Layer ~0.2μm Undoped Active Layer Electrons Holes Band Gap Energy Light n1 n2 Conduction Band Mode Profile Valence Band Carrier Confinement Optical Confinement 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

量子井效應與量子井結構當井(Well)的寬度窄到~15 nm以下時，量子效應(Quantum Effect)開始顯現。量子井結構擁有許多優點： 1) 可以改變(操控)雷射波長 2) 電子與電洞結合的量子效率較佳 3) 雷射二極體的臨界電流較低 4) 發光頻譜的線寬(Linewidth)較窄 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

量子能階與波函數當井寬變窄時：En 隨之變大 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

量子井寬度與發光波長之間的關係 Lz   l  2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

含應力的量子井結構長晶薄膜的晶格常數(Lattice Constant)與基板的晶格常數匹配，是傳統長晶方法當中很重要的一項準則。有時候一點點刻意給的由晶格不匹配(Lattice-Mismatch)所造成的應力(Strain) ，反而會帶來一些好處。應力的種類：壓縮應力(Compressive Strain)與舒張應力(Tensile Strain)。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

含應力量子井結構之能帶圖應力會影響能隙與發光波長!! 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

2 Window layer的能帶間隙必須比活性區的能帶間隙高，以避免吸光 GaP Window p Active 3 i DBR n 4 GaAs substrate p, n - cladding 的主要功能為侷限載子(電子與電洞) 1 DBR 的功能在於反射往下行進的光線 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

50 100 150 200 250 20 40 60 80 120 Intensity Vs. Current 12 mil 9 mil 8 mil Lumen Intensity (mcd) Current (mA) 580 585 590 595 600 605 610 20 40 60 80 100 120 Wavelength Vs. Current 12 mil 9 mil 8 mil Wavelength (nm) Current (mA) LED發光強度有極大值 (亦即有飽和的現象) LED發光波長會隨注入電流(及溫度)增加而增加 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Luminous Efficiency ( lumen/Watt )
AlGaInP與InGaN發光二極體 420 500 580 660 1 0.1 10 100 Luminous Efficiency ( lumen/Watt ) InGaN Sapphire AlGaInP GaP GaAs AlGaAs GaAsP:N GaP:N Wavelength ( nm ) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

活性層光線輸出的效率問題由於LED半導體元件與外圍封膠之間的折射率差相當大，每一面的光輸出均在4%以下。如果電流散開的情況不佳，光線輸出效率還會更差。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

使用ITO (Indium Tin Oxide)作電極
window p-Cladding Active Region n-Cladding GaAs Substrate 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

使用Current-Blocking設計
GaAs Substrate n-Cladding p-Cladding Active n-blocking 1st Growth 2nd Growth Regrowth Etching p-window Buried 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

DBR設計準則：兩層都不能吸光，折射率差越大越好。
布拉格反射鏡(DBR)在LED的應用 p- metal x   n  (Eg ) Window layer Cladding layer N-pairs Active layer DBR AlxGa1-xAs l/4n1 AlyGa1-yAs l/4n2 Substrate n- metal DBR設計準則：兩層都不能吸光，折射率差越大越好。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

AlGaInP LED之DBR材料選擇 (Absorptive) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

透明與不透明DBR的差異 Reflectivity can never approach to 1.0. Transparent DBR Lossy DBR 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

使用透明基板(向下發光) GaAs Substrate n-Cladding p-Cladding Active Window, GaP GaP Substrate 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

n-GaP TS p-GaP AlGaInP Active q=35º 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Lumileds公司的透明基板LED 1991 吸光之 GaAs基板 1994 透明之 GaP基板 1998 大尺寸之 GaP基板 2001 透明之 TIP基板 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

表面粗糙術與金屬反射面 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

使用光子晶體技術提升光輸出量 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Albert Einstein (1879–1955) 愛因斯坦受激放射相對論 E = mc2 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

光子與電子之間的交互作用 Process Before After Example EC EC Absorption Photodetector l EV EV EC EC Spontaneous Emission Light Emitting Diode OLED Eg l EV EV EC EC Laser Diode RC-LED ? Stimulated Emission l1 l1 l2 EV EV ( in phase ) l ( nm ) = 1240 / Eg ( eV ) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

共振腔LED (RC-LED) RC-LED在LED活性層上方加上數對DBR，其光學特性介於LED與VCSEL之間。與LED相比，RC-LED有以下優點：方向性較好，亮度較高，頻寬較窄，調變(Modulation)速度較高。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

RC-LED結構示意圖 Absorbing substrate Contact layer 下DBR: R ~ 1.0 共振腔上DBR: R ~ 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

RC-LED與LED方向性比較 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED、RC-LED、與VCSEL之比較
特性 LED RC-LED VCSEL 頻寬寬中等窄調變速度低高光輸出效率亮度價格 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

紅光、黃光發光二極體紅光、黃光發光二極體最常使用的材料為(AlxGa1-x)yIn1-yP，(AlxGa1-x)0.5In0.5P的晶格常數可以和GaAs基板匹配。使用(AlxGa1-x)0.5In0.5P製作發光二極體時，可藉由改變Al的含量來控制發光二極體的發光波長，但是，當Al的濃度超過特定濃度時(x > ~0.55)，(AlxGa1-x)0.5In0.5P將變成間接能隙材料，發光效能將隨之大幅地降低。 (AlxGa1-x)yIn1-yP LED已經發展得相當完整，以下將針對近年來用來改善 (AlxGa1-x)yIn1-yP LED效能的幾個方法做簡要介紹。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

630-nm n-type Modulation-Doped AlGaInP-AlInP MQW LED
IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 18, p. 25, 2006. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Titanium Nitride as Spreading Layers for AlGaInP Visible LEDs
IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 14, p. 1665, 2002. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Titanium Nitride as Spreading Layers for AlGaInP Visible LEDs
AlGaInP LED在使用TiN Spreading Layer之後，在高注入電流時所產生之電流聚集以及輸出功率飽和的情況已經獲得改善。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Increasing the Extraction Efficiency of AlGaInP LEDs via n-Side Surface Roughening IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 17, p. 2289, 2005. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Increasing the Extraction Efficiency of AlGaInP LEDs via n-Side Surface Roughening 在n-type表面使用H3PO4:HCl=5:1之溶液蝕刻40秒以增加表面粗糙度。除了可以有效的抑制元件內部全反射，還能有效侷限光子使得輸出功率提高60%。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

藍光、綠光發光二極體藍光、綠光LED主要以InxGa1-xN材料系統為主，其中x為銦的含量，1-x為鎵的含量，InxGa1-xN能帶間隙是決定InGaN LED發光波長的重要參數。利用氮化物製作發光二極體元件時最常遇到的問題是沒有晶格常數相匹配的基板，因此，將會使得磊晶層的缺陷增加而導致發光效率降低。另一方面，由於p-type的摻雜載子活化不易，也會大幅降低活性區中有效的載子結合，不過這一方面的問題已隨著長晶技術的進步有大幅改善。以下將針對近年來用來改善InxGa1-xN LED效能的幾個方法做簡要介紹。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Fabrication of p-Side Down GaN Vertical Light-Emitting Diodes on Copper Substrates by Laser Lift-Off Phys. Stat. Sol. (C) vol. 1, p. 2413, 2004. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

紫外光發光二極體(UV LED) 紫外光發光二極體最常使用的材料為三元化合物 InxGa1-xN與AlxGa1-xN，近幾年來四元化合物AlxGayIn1-x-yN也常被使用。紫外光發光二極體可以用來激發可見光螢光粉，使發出白光。高效率的紫外光發光二極體也可以應用在生醫科技的研究上、以及空氣清靜機等。以下將針對近年來紫外光發光二極體的結構設計與效率提高的方法做簡單的介紹。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

提升UV LED 元件出光量為了改善LED出光量被全反射侷限的問題，可以將LED元件p-type的表面作粗化的處理，實驗結果顯示此舉的確可以使得LED的效能提升[1-4]。使用Bragg reflector可以大量提升LED的輸出功率和外部量子效率[5-6]。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

改善基板的品質 Alumina-rich spinel (MgAl6O10)基板的散熱能力比藍寶石(Sapphire)基板好，和GaN的晶格匹配程度也優於藍寶石基板[7]。與GaN/sapphire基板相比，使用GaN/mirror/Cu基板的LED元件，在高注入電流情況下有較佳的光學(L-I)特性[8]。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

使用二氧化矽(SiO2)侷限電流使用二氧化矽層(SiO2 Layer) 可以有效侷限電流，讓注入活性區的電流可以集中，提升載子在活性區中的結合效率[9]。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

參考文獻 IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, p. 983, 2005. IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, p. 2038, 2005. Appl. Phys. Lett., vol. 88, p , 2006. Appl. Phys. Lett., vol. 89, p , 2006. Phys. Stat. Sol. (a), vol. 202, p. 2836, 2005. Phys. Stat. Sol. (a), vol. 201, p. 2653, 2004. Phys. Stat. Sol. (a), vol. 201, p. 2786, 2004. Phys. Stat. Sol. (c), vol. 3, p. 2199, 2006. Phys. Stat. Sol. (a), vol. 200, p. 110, 2003. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

彰化師大郭艷光實驗室的模擬能量國立彰化師範大學物理系近年來花費數百萬元自加拿大的Crosslight公司陸續採購LASTIP (應用於雷射二極體)、PICS3D(應用於面射型半導體雷射)、與 APSYS 等三套模擬軟體。 APSYS主要應用於半導體雷射以外的所有半導體元件，譬如：發光二極體、光偵測器、太陽能電池、高電子移動率電晶體 …等。最近Crosslight公司研發附屬於APSYS之有機發光二極體(OLED)功能副程式，交由彰化師大物理系郭艷光教授進行功能測試，目前尚在逐步改進程式性能當中。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

模擬軟體在學術與產業上的應用模擬軟體可以協助研究人員設計元件，並且探討元件的光學與電子特性。如果有實驗結果可以進行比較分析，我們通常會調整可用的Free Parameters，讓模擬結果可以盡可能與實驗結果一致。接下來，我們可以提出各種可以改善元件特性或操作性能的方法，進行模擬分析。經過幾次的調整與校正之後，模擬軟體即可成為元件設計的重要輔助工具，既可省下大量嘗試錯誤的時間，並能節省研發經費，取得研發與量產的先機。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

APSYS模擬軟體 (Advanced Physical Models of Semiconductor Devices)
此次演講所使用的LED與OLED元件模擬範例，均借助於APSYS模擬軟體。 APSYS可以經由解Poisson’s equation、current continuity equation、carrier energy transport equation、以及quantum mechanical wave equation等方程式，求得光電半導體元件的各種光學與電子特性。 APSYS亦使用Ray-Tracing技術，分析由元件所輸出之光強度以及光場隨角度之分佈情形。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

APSYS所能提供的資訊 L-I與I-V圖二維電位、電場、電流分佈圖二維電子電洞濃度分佈圖二維元件溫度分佈圖不同溫度、電流下之能帶圖二維光場分佈圖自發輻射頻譜對電流關係圖以上所有圖形對時間的變化關係以上所有圖形對溫度的變化關係 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

紫外光發光二極體模擬−參考文獻 Yi-An Chang, Sheng-Horng Yen, De-Chung Wang, Hao-Chung Kuo, Yen-Kuang Kuo, and Shing-Chung Wang, 21 March 2006, “Experimental and theoretical analysis on ultraviolet 370-nm AlGaInN light-emitting diode”, Semiconductor Science and Technology, Vol. 21, pp (SCI) (EI) Yen-Kuang Kuo, Sheng-Horng Yen, and Jun-Rong Chen, 2006, Ultraviolet Light-Emitting Diodes, in Nitride Semiconductor Devices: Principles and Simulation (Chapter 15), edited by Joachim Piprek, to be published by Wiley-VCH, the German branch of Wiley & Sons. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

UV LED結構圖 Semicond. Sci. Technol., vol. 21, p. 598, 2006. 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

參數設定−材料參數 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

參數設定−能帶間隙 B(AlInN) = 2.5 eV；B(InGaN) = 1.4 eV；B(AlGaN) = 0.7 eV 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

參數設定−介面極化電荷表中所列為UV LED元件不同介面所累積之極化電荷量，考慮實際情況下極化電荷之作用會被部份遮蔽，本模擬之設定值為理論值之10%。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

發光波長與電流關係圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

模擬與實驗之L-I-V圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED功率與AlGaN電子阻礙層鋁濃度之關係

效率與AlGaN電子阻礙層鋁濃度之關係元件操作溫度在300 K及360 K時，電子阻礙層之鋁濃度達0.19即能有效降低電子溢流，同時輸出功率與內部量子效率趨於飽和。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED功率與量子井個數的關係(300K) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

LED功率與量子井個數的關係(360K) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

電子與電洞濃度分佈圖增加量子井個數雖能有效抑制電子溢流，但是也容易造成電子電洞分佈不均勻的現象，以本研究為例，發光效能最佳之量子井個數為三個。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

AlInGaN與AlGaN電子阻礙層之比較分析
以晶格匹配之Al0.18In0.039Ga0.781N電子阻礙層取代原來之Al0.19Ga0.81N電子阻礙層(能帶間隙值保持相同)，LED發光性能在高注入電流情況下可以獲得顯著提升。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

導電帶能帶圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

價電帶能帶圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

活性層電場分佈圖使用晶格匹配之AlInGaN電子阻礙層，可以減少量子井能帶彎曲程度與內部電場，並使元件性能獲得提升。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

結論對370-nm AlInGaN紫外光LED而言，AlGaN電子阻礙層的鋁濃度為0.19時，即能有效抑制電子溢流。操作溫度在 K之間，三個量子井的LED結構有最佳的元件效能。以晶格匹配之AlInGaN (Al：In約為5：1時與GaN晶格匹配)電子阻礙層取代AlGaN電子阻礙層，可以減少能帶彎曲程度與內部電場，並且可以顯著提升UV LED元件在高注入電流情況下的發光性能。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

藍紫光雷射二極體模擬分析此一研究成果已發表於IEEE Journal of Quantum Electronics。 Yen-Kuang Kuo and Yi-An Chang, May 2004, “Effects of electronic current overflow and inhomogeneous carrier distribution on InGaN quantum-well laser performance”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 40, No. 5, pp (SCI) (EI) 本文探討 nm雷射二極體的光學與電子特性，以及最佳化分析。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

藍紫光雷射二極體簡介藍紫光InGaN雷射二極體在高密度資訊儲存系統以及醫學方面均有重要之應用(下一代DVD之雷射二極體發光波長為405 nm)。實驗結果顯示*：波長在 nm之間，雙量子井結構有最低的臨界電流，435 nm以上，單量子井結構有最低的臨界電流。 *Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys., vol. 37, p. L1020, 1998 *Nakamura et al., Appl. Phys. Lett., vol. 76, p. 22, 2000 由實驗觀點來看：波長越長，量子井之銦成分越多，長晶時造成之缺陷密度可能較高，容易導致多量子井結構效能變差。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

模擬之雷射二極體結構 n-contact 0.1-mm p-GaN 1.0-mm p-Al0.07Ga0.93N 0.02-mm p-Al0.2Ga0.8N undoped active region 0.1-mm n-GaN 1.0-mm n-Al0.07Ga0.93N 0.1-mm n-In0.1Ga0.9N 3.0-mm n-GaN p-contact 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

變化AlxGa1-xN電子阻礙層鋁濃度當鋁濃度(x)等於0.12時，元件的臨界電流與斜率效能分別為150 mA與0.53 W/A。當鋁濃度大於0.14時，電子溢流相對於注入電流之比例即可忽略。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

電子阻礙層與溢電流的關係不使用電子阻礙層時，溢電流在高注入電流情況下，顯得非常嚴重。當使用Al0.2Ga0.8N電子阻礙層時，大部分的電流可以有效侷限在活性區內。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

變化量子井個數( nm) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

變化量子井個數( nm) 波長在427 nm以上，單量子井結構有最低的臨界電流；波長在427 nm以下，雙量子井結構有最低的臨界電流。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

能帶與載子分佈圖(392 nm) 上圖為能帶與準費米能階分佈圖。下圖顯示，當波長為392 nm時，電子與電洞在不同之量子井中分佈情形頗為均勻。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

能帶與載子分佈圖(461 nm) 上圖為能帶與準費米能階分佈圖。下圖顯示，當波長為461 nm時，電子與電洞在不同之量子井中分佈情形較不均勻。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

結論對 nm藍紫光雷射而言，AlGaN電子阻礙層的鋁濃度在0.14以上即能有效抑制電子溢流。模擬結果顯示：波長在427 nm以上，單量子井結構有最低的臨界電流；波長在427 nm以下，雙量子井結構有最低的臨界電流。(此一模擬結果與Nakamura等人之實驗結果相符合) 由模擬觀點來看：長波長時，多量子井結構由於載子分佈不均勻而導致雷射效能變差。實際長晶時，當雷射二極體發光波長大於427 nm時，應避免成長多量子井結構。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

關於OLED… 前言國內OLED學術發展國內外OLED產業發展以APSYS/OLED模擬上發光型OLED元件 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

有機發光二極體(OLED)顯示器傳統的陰極射線管(CRT)螢幕厚重、體積龐大，已逐漸被大尺寸的電漿顯示器(PDP)及液晶顯示器(LCD)所取代。有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode；OLED)是一種有機電激發光元件，OLED顯示器有可能是PDP與LCD未來的最大競爭對象。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

OLED顯示器的優點自行發光、不需背光源高亮度反應時間快(ms等級)、沒有殘影現象製作容易、輕薄、寬視角寬廣操作溫度範圍、低驅動電壓色彩豐富、高對比、低價可撓曲、可做多樣化形狀及尺寸符合環保潮流(不含Hg) 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

國內OLED學術發展(1) 材料研發方面：若干學者嘗試改變有機材料官能基，來改善材料的缺陷，或是利用合成技術製作理想特性的材料，如提升電子飄移率、改善客體材料發光效率、增加材料對熱的穩定性、改善材料與電極的黏合程度等。元件製程方面：若干學者嘗試研究不同的製程方式，以提升元件的品質與良率，例如：利用光微影技術達到大面積、快速、且高解析度的目標；利用全像術來增加OLED外部耦合效率；改進封裝過程使產能提升；有效阻擋水、氧對OLED的侵蝕等。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

國內OLED學術發展(2) 電路系統設計：藉由適當的電路設計來改善主動式OLED的性能、以及降低驅動電壓、減少電晶體的製作成本。元件結構設計：對OLED多層結構中的每一層做優化，使OLED元件中的載子趨於平衡，激子能有效發光。模擬分析：利用理論計算方式來推演OLED內部載子與激子的作用。藉由模擬實際的元件，得到與實驗相近的結果，並進一步改善元件的效能。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

國內OLED學術發展(3) 還有一些研究團隊著力於OLED的應用(如生醫科技、照明等)，以及以實驗取得有機材料的物理參數(如電子電洞飄移率、LUMO與HOMO值等)。目前國內研究OLED的大學有台灣大學、交通大學、清華大學、成功大學、義守大學、虎尾科技大學、南台科技大學、國立彰化師範大學…等。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

國內外OLED產業發展(1) OLED面板廠商前五名廠商排名變化排名 2004 2005 1 三星電子錸寶科技 2 先鋒 3 悠景科技 4 樂金電子 5 Source : DisplaySearch, 2005年3月據 iSippli 統計分析全球 OLED市場規模，2004年將以年成長率88%達4.7億美金，年間將以751%高成長，至2010年達到40億美金。根據Display Search統計，2004年全球前五大出口OLED面板廠商分別是三星電子、先鋒、錸寶科技、樂金電子與悠景科技；進入2005年之後，台灣的錸寶科技與悠景科技分佔1、3名。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

國內外OLED產業發展(2) 表一　2005年全球OLED廠商排行 2005年排名廠商 2005年佔有率 2004年佔有率 1 三星SDI 27.33% 43.69% 2 錸寶 26.87% 24.62% 3 先鋒 15.08% 20.18% 4 悠景 10.13% 6.35% 5 樂金 6.12% N/A . 其他 14.47% 5.16% Source :iSippli，2006年6月目前OLED主要的應用仍以MP3為最大宗，國內最大被動式OLED面板生產商-錸寶科技與悠景科技-在2005年全球統計中排名為第一與第三。根據iSippli在2006年6月統計，三星在2004～2005年之市佔率奪冠，但在2005年三星的市佔率大幅降低，這是因為其他廠商降低價格增加出貨量所導致。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

國內外OLED產業發展(3) 主動式有機發光顯示器(AMOLED)被視為是下一世代可能的主要顯示技術。台灣的友達、錸寶、統寶與奇晶光電將相繼在2006年進入量產階段。目前除了三星電子與樂金飛利浦以發展大尺寸AMOLED為主要方向外，三星SDI、友達、統寶、錸寶與奇晶都是以中小尺寸為主。在大尺寸顯示器方面，AMOLED在效能上優於TFT液晶面板，但其生產成本過高，可能導致AMOLED缺乏市場競爭力。在中小尺寸方面，AMOLED只要在2007年之前將2.2吋QVGA的AMOLED面板與TFT液晶面板價差壓至5美元以內，就有競爭的機會。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

以APSYS/OLED模擬上發光型OLED元件
OLED元件結構參考文獻：Appl. Phys. Lett., vol. 87, p , 2005. 透明陰極材料是LiF(0.5 nm)/Al(1 nm)/Ag(20 nm)，再加一層抗反射層增加光的穿透性。模擬上發光型OLED元件，由於上下電極都是由金屬構成，因此必須考慮微共振腔效應(Microcavity Effect)。 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

電流密度分佈與能帶圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

I-V與L-I性能圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

內部量子效率與淬取效率圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

活性層與腔外發光頻譜圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

發光頻譜與角度的關係 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

駐波強度與折射率分佈圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

光輸出的遠場分佈圖 2006/08/31 LED發展趨勢與模擬分析研討會 / 郭艷光博士

Thank you for your attention! 彰化師大郭艷光 http://ykuo.ncue.edu.tw

LED發展趨勢與模擬分析研討會郭艷光Yen-Kuang Kuo 美國南加州大學(USC)電機研究所博士

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