研究速報：本系簡世森老師關於「電模數頻譜技術應用於研究發光二極體之介面特性」，發表於 IEEE 期刊
- 日期 : 2019-10-05
- 分類 : 研究
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本系簡世森老師近年致力於電模數(electric modulus, M)頻譜技術之研究，它是從阻抗(impedance, Z)頻譜延伸出來的技術，並於今年初才以此技術獲得一項中華民國專利「多重介面之半導體的分析方法」(請見本系消息 https://phy2.thu.edu.tw/web/news/detail.php?cid=9&id=292 )。最近，簡教授與中興大學物理系孫允武教授合作，成功利用電模數頻譜技術，探討氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井發光二極體(InGaN/GaN multiple quantum well LED)(圖一)介面的阻抗特性，對於LED之半導體介面之分析有很大的幫助。並將此一研究結果發表論文 “Impedance elements of significant junctions in InGaN light-emitting diodes studied by electric modulus spectroscopy” 在知名期刊IEEE Transactions on Electron Devices (https://ieeexplore.ieee.org/document/8746774)。
由於發光二極體之載子傳輸是由介面特性所主宰，因此對於發展高效率之發光二極體而言，異質介面特性的研究與探討是一項極為重要的課題。一般來說，以阻抗頻譜技術研究發光二極體各介面的阻抗特性，會在奈奎斯特圖(Nyquist plot)中呈現一個半圓的圖形。但是，往往因為各個介面的電阻值差異極大，可能因為其他半圓太小而被大的半圓所合併，導致難以發現其他半圓。因此，簡世森教授採用另一個相關參數-電模數，來研究電阻值差異極大的介面之間的阻抗特性。電模數與阻抗之間具有特定之關係(M=iwC0Z，其中w是測量之角頻率，C0是元件之幾何電容)。因此，阻抗參數也可以經由電模數頻譜技術的分析而獲得。
因為氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井發光二極體，不同介面間的電阻值差異非常大，所以在阻抗頻譜技術的量測下，如圖二(a)所示，在奈奎斯特圖中僅呈現一個半圓的圖形。然而，在電模數頻譜技術的量測下，如圖二(b)所示，在奈奎斯特圖中呈現了不只一個半圓的圖形，這表示了有來自發光二極體不同介面的訊號。發光二極體的不同主要介面可以視為一組並聯的電阻與電容。利用阻抗頻譜技術數值模擬可得知三組並聯的電阻與電容之阻抗值。經分析，兩個最主要的介面訊號分別來自於主要的pn二極體介面與p型氮化鋁鎵/氮化鎵的異質介面，證實了電模數頻譜技術在探討氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井發光二極體之介面特性的實用性。
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| (a) 氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井發光二極體的結構示意圖。 (b) 波長為530奈米之封裝發光二極體，在外加偏壓1.7伏特下的發光照片。
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| 氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井結構發光二極體，在不同外加電壓下(a)阻抗頻譜技術(b)電模數頻譜技術的奈奎斯特圖。(a)的插圖為放大的阻抗頻譜圖，(b)的插圖發光二極體的等效電路。 |
