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光光光光 LED: Materials and Device Aspects 光光光光 : 光 光 光 光光 光光光光光光光光光光 光光光光 ○光光光光光光光光 1

光電科技 LED: Materials and Device Aspects 授課教師 : 龔 志 榮 教授 國立中興大學物理學系 中華民國一○二年四月二十二日 1

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*Bonding and Band structure in semiconductors 3

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光電科技

LED: Materials and Device Aspects

授課教師 : 龔 志 榮 教授  國立中興大學物理學系

中華民國一○二年四月二十二日1

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§ 1-1 Optical Semiconductor Materials

*Elemental semiconductors : Si, Ge, ( used in photodiodes only)*Compound semiconductors

Ⅲ- compounds Ⅴ & alloys Ⅳ compounds & alloys Ⅰ- -Ⅲ Ⅵ2 compounds Ⅱ- -Ⅳ Ⅴ2 compounds Ⅳ- compoundsⅣ For applications in light emitting devices like LEDs and LDs as well as photodiodes ( solar cells & photodetectors)

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*Bonding and Band structure in semiconductors

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Physical Properties of Optical Semiconductors

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cross-section of diffusion fabricated LED

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light emitting in the pn junction

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EQE of LEDs in the visible spectrum

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LED material Substrate Type Wavelength(nm) Color Efficiency

InGaN Sapphire D 370-680 UV-Red Medium-High

AlGaInP GaAs D 560 Green Medium

AlGaInP GaP D 570 Green Medium

AlGaInP GaP D 590 Yellow High

AlGaInP GaP D 607 Orange High

AlGaInP GaP D 620-650 Red High

AlGaAs GaAs D 650-675 Red Medium

Table 1: III-V semiconductor LEDs’ wavelength, Color and Efficiency

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LED material Substrate Type Wavelength(nm) Color Efficiency

GaAsP:N GaP I 589 Yellow Low

GaAsP:N GaP I 632 Red Low

GaAsP GaAs D 649 Red Low

GaP GaP I 555 Green Low

GaP:N GaP I 565 Green Low

GaP:N,N GaP I 590 Yellow Low

GaP:ZnO GaP I 699 Red Medium

AlGaAs:Si GaAs D 820-890 IR High

GaAs:Si GaAs D 920-950 IR High

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Cross-sectional schematic of a flip chip (覆晶 ) GaN LED

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InGaAs LED containing a photonic crystal

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光電科技

LED: Recent Advances and Applications

授課教師 : 龔 志 榮 教授  國立中興大學物理學系

中華民國一○二年五月二十日50

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Internal Quantum Efficiency Enhancement

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Cheng-Liang Wang, Jyh-Rong Gong,* Ming-Fa Yeh, Bor-Jen Wu, Wei-Tsai Liao, Tai-Yuan Lin, and Chung-Kwei Lin

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IEEE Photonic Technology Letters 18 (2006) 1497

* Department of Physics, National Chung Hsing University, TAIWAN, R.O.C.

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GaN-based LED structures w/wo SPSLs

Undoped GaNu-GaN + SPSL

p-GaN

5-pair AlGaN(2nm)/GaN(2nm) SPSL

Sample A

u-GaN ( 0.1mm)

MQWsSample B

Sample C

Sample D

u-GaN ( 0.1mm)u-GaN ( 0.1mm)

sapphire substrate

n-GaN (4mm)

Ni/Au

Ti/Al

u-GaN ( 0.4mm)

u-GaN ( 0.4mm)

u-GaN ( 0.4mm)

u-GaN ( 0.4mm)

C. L. Wang et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 18 (2006) 1497

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C. L. Wang et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 18 (2006) 1497

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C. L. Wang et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 18 (2006) 1497

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InGaN/GaNmulti-quantum wells

2 sets of short period superlattices

500nm

100nm

u-GaN

n-GaN

p-GaN

n-GaN

C. L. Wang et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 18 (2006) 1497

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C. L. Wang et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 18 (2006) 1497

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Cheng-Liang Wang , Ming-Chang Tsai, Jyh-Rong Gong,* Wei-Tsai Liao, Ping-Yuan Lin, Kuo-Yi Yen, Chia-Chi Chang, Hsin-Yueh Lin , and Shen-Kwang Hwang

* Department of Physics, National Chung Hsing University, TAIWAN, R.O.C.

Materials Science & Engineering B 138 (2007) 180

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According to the standard Shockley model , the I–V relationshipof a forward-biased p–n junction can be approximated

by I = Is exp(q V/ηkT),

where Is, q, k, η and T, respectively, are saturation current of thediode, electron charge, Boltzmann constant, and ideality factorand absolute temperature of the diode.

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Semilogarithmic I–V plots of the forward-biased In0.2Ga0.8N/GaNMQWLEDs having (a) zero-set, (b) one-set, (c) two-set, and (d) three-set Al0.3Ga0.7N/GaNSPSL insertion.

C. L. Wang et al. MSE B 138 (2007) 180

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Typical optical surface morphologies of etched In0.2Ga0.8N/GaN MQW LEDs having (a) zero-, (b) one-, (c) two-, and (d) three-set Al0.3Ga0.7N/GaN SPSL insertion.

C. L. Wang et al. MSE B 138 (2007) 180

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C. L. Wang et al. MSE B 138 (2007) 180

Typical I–V characteristics of the reverse-biased In0.2Ga0.8N/GaNMQWLEDs (1) without SPSL insertion, (2) with one set of Al0.3Ga0.7N/GaN SPSLinsertion, (3) with two sets of Al0.3Ga0.7N/GaN SPSL insertion, and (4) withthree sets of Al0.3Ga0.7N/GaN SPSL insertion, respectively. The inset exhibitsplots of the corresponding EL intensity vs. emissionwavelength of the two LEDshaving no SPSL and two sets of SPSL operated at 20 mA.

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C. L. Wang et al. MSE B 138 (2007) 180

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Wei-Tsai Liao, Jyh-Rong Gong,* Cheng-Liang Wang, Wei-Lin Wang,Chih-Chang Tsuei, Cheng-Yen Lee, Keh-Chang Chen, Jeng-Rong Ho, andRen C. Luo

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Electrochemical and Solid-State Letters, 10 1 H5-H7 (2007)

* Department of Physics, National Chung Hsing University, TAIWAN, R.O.C.

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Typical 0002 DCXRD curves of the In0.1Ga0.9N/Al0.03Ga0.97NMQW LED structures grown on c- and a-plane sapphire substrates. Insets:the corresponding XTEM micrographs of the LEDs near MQW area, respectively

W. T. Liao et al. Electrochem. Solid-State Lett. 10 (2007) H5

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Characteristics of the In0.1Ga0.9N/Al0.03Ga0.97N MQW LEDs grown on c- and a-plane sapphire substrates

W. T. Liao et al. Electrochem. Solid-State Lett. 10 (2007) H5

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Plots of EL intensity vs forward current of theIn0.1Ga0.9N/Al0.03Ga0.97N MQW LEDs grown on c- and a-plane sapphiresubstrates. Inset: a typical room-temperature EL spectra measured at 20 mAfor the In0.1Ga0.9N/Al0.03Ga0.97N MQW LEDs grown on c- and a-plane sapphiresubstrates.

W. T. Liao et al. Electrochem. Solid-State Lett. 10 (2007) H5

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Typical FESEM surface morphologies of the etched In0.1Ga0.9N/Al0.03Ga0.97N MQW LEDs grown on a c- and b a-plane sapphire substrates

W. T. Liao et al. Electrochem. Solid-State Lett. 10 (2007) H5

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External Quantum Efficiency Enhancement

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Kuo-Yi Yen, Chien-Hua Chiu, Chun-Wei Li, Chien-Hua Chou, Pei-Shin Lin, Tzu-Pei Chen,Tai-Yuan Lin, and Jyh-Rong Gong*

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* Department of Physics, National Chung Hsing University, TAIWAN, R.O.C.

IEEE PhotonicTechnologyLett.ers 24 (2012) 2105

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Typical I-V curves of (a) N2-annealed n+-GZO contacts along with anITO contact on p-GaN/sapphire templates and (b) forward-biased InGaN/GaNMQW LEDs with an as-deposited n+-GZO TCL, an ITO TCL and n+-GZOTCLs being N2-annealed at 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C, and 800 °C.

K. Y. Yen et al. IEEE Photon.Tech.Lett. 24 (2012) 2105

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Schematic showing electron tunneling in a reverse-biased n+GZO/p-GaN hetero-junction

K. Y. Yen et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 24 (2012) 2105

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K. Y. Yen et al. IEEE Photon.Tech.Lett. 24 (2012) 2105

(a)–(f) θ-2θ XRD plots of as-deposited n+-GZO TCL and n+-GZO TCLs on GaN/c-sapphire substrates being annealed at 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C, and 800 °C for 5 min in N2 ambient.

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Light output powers of InGaN/GaN MQW LEDs with as-depositedn+-GZO, 400 °C N2-annealed n+-GZO and commercial ITO TCLs

K. Y. Yen et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 24 (2012) 2105

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Optical transmittances of as-deposited n+-GZO, 400 °C N2-annealedn+-GZO and ITO films deposited on c-sapphire substrates

K. Y. Yen et al. IEEE Photon. Tech. Lett. 24 (2012) 2105

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