Contents
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5.3 Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Effect on Transition Energy Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2 Effect on Luminous Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4 Carrier Localization in InGaN/GaN Multiple Quantum
Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 Green LED and Non-polar, Semi-polar LED . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5.1 Polar Surface High in Composition Green LEDs . . . . . . 87
5.5.2 Semi-polar and Non-polar Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.3 Research Progress on Semi-polar and Non-polar
LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 AlGaN-Based Multiple-Quantum-Well Materials and UV
LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1 Introduction of AlGaN Material System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 Optical and Electrical Properties of AlGaN Materials . . . . . . . . . . 97
6.3 Epitaxial Growth and Doping Techniques for AlGaN
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.4 Structure Design and Fabrication of UV LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 103
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7 III-Nitride LED Quantum Efficiency Improvement
Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1 Three Structures of LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.2 Internal Quantum Efficiency Improvement Technology . . . . . . . . 116
7.2.1 Homo-Epitaxial Growth of GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2.2 Multiple Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.2.3 Active Region Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.2.4 Electronic Barrier Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.3 Light Extraction Efficiency Improvement Technology . . . . . . . . . 124
7.3.1 Patterned Sapphire Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.2 Surface Roughening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.3 Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.4 Flip-Chip Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.3.5 Photonic Crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4 Current Injection Efficiency Improvement Technology . . . . . . . . . 134
7.4.1 Current Spreading Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.4.2 Current Distribution Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.4.3 Current Blocking Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.5 Droop Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.5.1 Auger Recombination Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.5.2 Electronic Overflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
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5.3 Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Effect on Transition Energy Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2 Effect on Luminous Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4 Carrier Localization in InGaN/GaN Multiple Quantum
Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 Green LED and Non-polar, Semi-polar LED . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5.1 Polar Surface High in Composition Green LEDs . . . . . . 87
5.5.2 Semi-polar and Non-polar Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.3 Research Progress on Semi-polar and Non-polar
LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 AlGaN-Based Multiple-Quantum-Well Materials and UV
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6.1 Introduction of AlGaN Material System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 Optical and Electrical Properties of AlGaN Materials . . . . . . . . . . 97
6.3 Epitaxial Growth and Doping Techniques for AlGaN
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.4 Structure Design and Fabrication of UV LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 103
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7 III-Nitride LED Quantum Efficiency Improvement
Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1 Three Structures of LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.2 Internal Quantum Efficiency Improvement Technology . . . . . . . . 116
7.2.1 Homo-Epitaxial Growth of GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2.2 Multiple Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.2.3 Active Region Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.2.4 Electronic Barrier Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.3 Light Extraction Efficiency Improvement Technology . . . . . . . . . 124
7.3.1 Patterned Sapphire Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.2 Surface Roughening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.3 Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.4 Flip-Chip Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.3.5 Photonic Crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4 Current Injection Efficiency Improvement Technology . . . . . . . . . 134
7.4.1 Current Spreading Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.4.2 Current Distribution Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.4.3 Current Blocking Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.5 Droop Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.5.1 Auger Recombination Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.5.2 Electronic Overflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147