但是InGaN為什么會具有很好的發(fā)光能力，這一點(diǎn)在此之前一直都沒人能夠解答。所以筑波大學(xué)的秩父重英、上殿明良助教授等人，和獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)的研究小組，同心協(xié)力進(jìn)行了這一方面的研究，他們利用脈沖雷射，在千億分之一秒的超短時間內(nèi)，利用電子反物質(zhì)「陽電子」對結(jié)晶里的電洞的變化，進(jìn)行發(fā)光測量，結(jié)果顯示，發(fā)現(xiàn)InGaN具有很好的發(fā)光能力的原因是，因?yàn)樵诤蠭n的氮化物半導(dǎo)體中，電洞被由In和氮原子組成的集團(tuán)（局部效應(yīng)）有效的捕獲，能量沒有轉(zhuǎn)化成熱，而是有效的轉(zhuǎn)化成了光。

　　這種現(xiàn)象，不僅適用于AlInN、AlInGaN等材料，甚至其它的發(fā)光材料也一樣，如果顯示出同樣的特性，就可以期待能夠把「原子大小的不均等結(jié)晶」積極應(yīng)用到各種發(fā)光產(chǎn)品上。未來將計劃推相關(guān)的測量技術(shù)，探索其它材料的不均一結(jié)晶的廣泛應(yīng)用。

　　■為什么缺點(diǎn)那么多卻還可以發(fā)光？

　　自從把AlInN的量子井運(yùn)用到發(fā)光部分，而開發(fā)出藍(lán)色、綠色LED以來，顯示組件、訊號設(shè)備、照明、光儲存產(chǎn)品等，在2008年成為了半導(dǎo)體發(fā)光組件市場的主力，預(yù)計2008年以后，將會發(fā)展到每年1兆日元以上的規(guī)模。

　　由于InGaN結(jié)晶沒有單結(jié)晶成長的磊晶基板，所以相對來說會比便宜、耐高溫的藍(lán)寶石更廣泛應(yīng)用于其它的基板。不過也因?yàn)槿绱?，和傳統(tǒng)的鉀砷等LED材料 相比，也存在著非常多的缺點(diǎn)。因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)和原子的缺陷，電子和電洞在沒有發(fā)光就被擷取了，在二者接合（再接合）時的能量，就會變成熱釋放出來，所以 GaN、InGaN從基本上來說，幾乎不可能作為發(fā)光組件的材料。實(shí)際上，雖然缺點(diǎn)很多的GaN在室溫條件下根本不發(fā)光。但是，InGaN卻可以高亮度發(fā) 光，所以大部分的發(fā)光產(chǎn)品漸漸開始使用InGaN。盡管如此，「為什么缺點(diǎn)那么多卻還可以發(fā)光？」，關(guān)于這一點(diǎn)，到目前為止業(yè)界還沒有明確的解答。

　　半導(dǎo)體LED 的發(fā)光率取決于下面兩者之間的平衡，一是作為光源的電洞和電子的發(fā)光（發(fā)光再結(jié)合的壽命），一是由于缺陷不能產(chǎn)生光最終轉(zhuǎn)化成熱（非發(fā)光再結(jié)合的壽命）。當(dāng)前者短，后者長的情況下，發(fā)光率增大。缺陷的量如果太大很容易發(fā)生非發(fā)光再結(jié)合，這會導(dǎo)致后者變短，而降低發(fā)光率。例如說，如圖一所示，傳統(tǒng)的LED材 料GaAs和GaP，當(dāng)缺陷的量達(dá)到一平方公分1萬個～10萬個的時候，就完全不會發(fā)光。即使是GaN，當(dāng)缺陷的量超過100萬個的時候，也不會發(fā)光。但 是，InGaN卻不同，即使是每平方公分缺陷有1億～10億個，還是會出現(xiàn)相對比較高的發(fā)光率，這個不可思議的現(xiàn)象吸引了很多半導(dǎo)體研究專家的興趣。

▲圖一：LED發(fā)光效率和缺陷關(guān)系。（資料來源：日本國立筑波大學(xué)、獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)）

　　■發(fā)光效率和In的關(guān)系

　　筑波大學(xué)和獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)，首先在零下260度到室溫的條件下，對GaN結(jié)晶、InGaN混晶以及AlGaN結(jié)晶進(jìn)行了系統(tǒng)性的「發(fā)光測量」，也就是對吸收半導(dǎo)體能 量的光，發(fā)生激勵而產(chǎn)生電子和電洞，然后依靠由于電子和電洞的再結(jié)合，而發(fā)出的光的波長、強(qiáng)度進(jìn)行的測量，因此經(jīng)過測量后得出了以下的結(jié)論，在室溫條件下電子和電洞的光轉(zhuǎn)換率（內(nèi)部量子效率）是隨組成的不同變化的，也就是缺陷的密度大約相同的時候，在GaN里添加了AlN的AlGaN混晶的內(nèi)部量子效率很 低，添加了InN的InGaN混晶隨著In的量的增加，內(nèi)部量子效率也會隨之提高。這一結(jié)果可以得出這樣一種結(jié)論，就是說，InGaN之所以可以在有很多 缺陷的情況下仍然可以很好發(fā)光，是和In原子有關(guān)。

　　■發(fā)光再結(jié)合壽命　非發(fā)光再結(jié)合壽命和混晶的組成的關(guān)系

　　為了研究出前述得出的結(jié)果，需要了解在電子和電洞變成光的平均時間，和變成熱的平均時間的大小變化下是如何變化的？所以對GaN、InGaN混晶進(jìn)行了「時間分解發(fā)光測量」。在點(diǎn)燈時間僅有十兆分之一秒的脈沖雷射的半導(dǎo)體薄 膜上，瞬間產(chǎn)生激勵出的電子和電洞，電子和電洞再結(jié)合的時候，所發(fā)的光用千億分之一秒的時間來測量分解能，從這個結(jié)果可以看出，InGaN結(jié)晶與GaN相 比，「發(fā)光再結(jié)合」所花的時間較短（也就是容易發(fā)光），「非發(fā)光再結(jié)合」所花的時間較長（較會產(chǎn)生熱的現(xiàn)象）?？梢钥闯觯S著InGaN里的InN的量， 而出現(xiàn)顯著的結(jié)果。因此，在GaN中混加InN，電子和電洞更容易轉(zhuǎn)換成光。

　　■電子和電洞可以活動的距離　和有無In之間的關(guān)系

　　另外，對GaN和InGaN的半導(dǎo)體中注入電子，采用空間分解電極發(fā)光測量，可以計算出電子的移動距離，而這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與GaN相比，InGaN混晶的電子和電洞可移動距離較短。

　　■陽電子可以活動的距離和In有無之間的關(guān)系

　　把電子的反物質(zhì)（陽電子）放入試驗(yàn)品中，當(dāng)它和電子相互消滅的時候，所發(fā)出的伽馬射線，利用低速陽電子消滅測量的方法，可以發(fā)現(xiàn)捕獲、散射點(diǎn)缺陷和陽電子的原子配列中混亂的區(qū)域，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)InGaN與GaN相比，成為非發(fā)光再結(jié)合的點(diǎn)缺陷比較多，而且陽電子可以移動的距離，最大也不過只有 4nm以下，這可以說，幾乎是不動的。

　　因此可以說，GaN的缺陷增多的話，試驗(yàn)品中的陽電子擴(kuò)散距離就會變得較短，所以非發(fā)光再結(jié)合的 壽命也就會跟著變短，使得電子和電洞會很容易變成熱能。但是，如果使用橫向生長的特殊技術(shù)，來減少缺陷的話，可以讓陽電子的擴(kuò)散距離變長，使得非發(fā)光再結(jié)合的壽命隨之增加。另外，因?yàn)锳lGaN混晶的缺陷比GaN多，陽電子的擴(kuò)散距離也比GaN短，這樣很容易發(fā)生非發(fā)光再結(jié)合。另一方面，雖然InGaN的 缺陷比GaN多，陽電子的擴(kuò)散距離比GaN短，但是非發(fā)光再結(jié)合的壽命很長，也就是說，不太會發(fā)生非發(fā)光再結(jié)合的現(xiàn)象。

　　陽電子是具有電子和相反為帶正電荷的粒子，所以和電洞一樣，會受到周圍電場的影響。因此InGaN中的電子和電洞不活動的原因，并不能解釋為被缺陷所影響，真正的原因應(yīng)該是，電洞被其它的有助于發(fā)光的效應(yīng)提前捕獲了。也就是說如果增加In量，發(fā)光再結(jié)合這樣的現(xiàn)象就會變得容易，非發(fā)光再結(jié)合就會變難。而且勵起的電子和電洞被捕獲、發(fā)光的局部效應(yīng)的大小是在原子數(shù)個程度的大小之下的。

　　總而言之，我們可以了解到把InGaN應(yīng)用到藍(lán)色、綠色LED，雖然有很多結(jié)構(gòu)缺陷，但卻能夠發(fā)出高亮度的光。其原因是，被電洞形成的原子和In-N會出現(xiàn)局部效應(yīng)，所以很不容易因?yàn)槿毕輲碛绊懀c帶有負(fù)電荷的電子再結(jié)合時，所產(chǎn)生的能量可以有效的轉(zhuǎn)化成光，而不會轉(zhuǎn)化成熱（圖二）。

▲圖二：由正洞形成的原子數(shù)個程度大小的In－N聚集的部份所捕獲，與有負(fù)電荷的電子再結(jié)合時，產(chǎn)生的能量有效的轉(zhuǎn)化成光。（資料來源：日本國立筑波大學(xué)、獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)）