但是InGaN為什么會具有很好的發光能力，這一點在此之前一直都沒人能夠解答。所以筑波大學的秩父重英、上殿明良助教授等人，和獨立行政法人科學技術振興機構的研究小組，同心協力進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，利用電子反物質「陽電子」對結晶里的電洞的變化，進行發光測量，結果顯示，發現InGaN具有很好的發光能力的原因是，因為在含有In的氮化物半導體中，電洞被由In和氮原子組成的集團（局部效應）有效的捕獲，能量沒有轉化成熱，而是有效的轉化成了光。

　　這種現象，不僅適用于AlInN、AlInGaN等材料，甚至其它的發光材料也一樣，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晶」積極應用到各種發光產品上。未來將計劃推相關的測量技術，探索其它材料的不均一結晶的廣泛應用。

　　■為什么缺點那么多卻還可以發光？

　　自從把AlInN的量子井運用到發光部分，而開發出藍色、綠色LED以來，顯示組件、訊號設備、照明、光儲存產品等，在2008年成為了半導體發光組件市場的主力，預計2008年以后，將會發展到每年1兆日元以上的規模。

　　由于InGaN結晶沒有單結晶成長的磊晶基板，所以相對來說會比便宜、耐高溫的藍寶石更廣泛應用于其它的基板。不過也因為如此，和傳統的鉀砷等LED材料 相比，也存在著非常多的缺點。因為這些結構缺點和原子的缺陷，電子和電洞在沒有發光就被擷取了，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，幾乎不可能作為發光組件的材料。實際上，雖然缺點很多的GaN在室溫條件下根本不發光。但是，InGaN卻可以高亮度發 光，所以大部分的發光產品漸漸開始使用InGaN。盡管如此，「為什么缺點那么多卻還可以發光？」，關于這一點，到目前為止業界還沒有明確的解答。

　　半導體LED 的發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光（發光再結合的壽命），一是由于缺陷不能產生光最終轉化成熱（非發光再結合的壽命）。當前者短，后者長的情況下，發光率增大。缺陷的量如果太大很容易發生非發光再結合，這會導致后者變短，而降低發光率。例如說，如圖一所示，傳統的LED材 料GaAs和GaP，當缺陷的量達到一平方公分1萬個～10萬個的時候，就完全不會發光。即使是GaN，當缺陷的量超過100萬個的時候，也不會發光。但 是，InGaN卻不同，即使是每平方公分缺陷有1億～10億個，還是會出現相對比較高的發光率，這個不可思議的現象吸引了很多半導體研究專家的興趣。

▲圖一：LED發光效率和缺陷關系。（資料來源：日本國立筑波大學、獨立行政法人科學技術振興機構）

　　■發光效率和In的關系

　　筑波大學和獨立行政法人科學技術振興機構，首先在零下260度到室溫的條件下，對GaN結晶、InGaN混晶以及AlGaN結晶進行了系統性的「發光測量」，也就是對吸收半導體能 量的光，發生激勵而產生電子和電洞，然后依靠由于電子和電洞的再結合，而發出的光的波長、強度進行的測量，因此經過測量后得出了以下的結論，在室溫條件下電子和電洞的光轉換率（內部量子效率）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混晶的內部量子效率很 低，添加了InN的InGaN混晶隨著In的量的增加，內部量子效率也會隨之提高。這一結果可以得出這樣一種結論，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光，是和In原子有關。

　　■發光再結合壽命　非發光再結合壽命和混晶的組成的關系

　　為了研究出前述得出的結果，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混晶進行了「時間分解發光測量」。在點燈時間僅有十兆分之一秒的脈沖雷射的半導體薄 膜上，瞬間產生激勵出的電子和電洞，電子和電洞再結合的時候，所發的光用千億分之一秒的時間來測量分解能，從這個結果可以看出，InGaN結晶與GaN相 比，「發光再結合」所花的時間較短（也就是容易發光），「非發光再結合」所花的時間較長（較會產生熱的現象）。可以看出，隨著InGaN里的InN的量， 而出現顯著的結果。因此，在GaN中混加InN，電子和電洞更容易轉換成光。

　　■電子和電洞可以活動的距離　和有無In之間的關系

　　另外，對GaN和InGaN的半導體中注入電子，采用空間分解電極發光測量，可以計算出電子的移動距離，而這樣的實驗結果顯示，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有無之間的關系

　　把電子的反物質（陽電子）放入試驗品中，當它和電子相互消滅的時候，所發出的伽馬射線，利用低速陽電子消滅測量的方法，可以發現捕獲、散射點缺陷和陽電子的原子配列中混亂的區域，根據實驗的結果，發現InGaN與GaN相比，成為非發光再結合的點缺陷比較多，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，試驗品中的陽電子擴散距離就會變得較短，所以非發光再結合的 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，來減少缺陷的話，可以讓陽電子的擴散距離變長，使得非發光再結合的壽命隨之增加。另外，因為AlGaN混晶的缺陷比GaN多，陽電子的擴散距離也比GaN短，這樣很容易發生非發光再結合。另一方面，雖然InGaN的 缺陷比GaN多，陽電子的擴散距離比GaN短，但是非發光再結合的壽命很長，也就是說，不太會發生非發光再結合的現象。

　　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，真正的原因應該是，電洞被其它的有助于發光的效應提前捕獲了。也就是說如果增加In量，發光再結合這樣的現象就會變得容易，非發光再結合就會變難。而且勵起的電子和電洞被捕獲、發光的局部效應的大小是在原子數個程度的大小之下的。

　　總而言之，我們可以了解到把InGaN應用到藍色、綠色LED，雖然有很多結構缺陷，但卻能夠發出高亮度的光。其原因是，被電洞形成的原子和In-N會出現局部效應，所以很不容易因為缺陷帶來影響，與帶有負電荷的電子再結合時，所產生的能量可以有效的轉化成光，而不會轉化成熱（圖二）。

▲圖二：由正洞形成的原子數個程度大小的In－N聚集的部份所捕獲，與有負電荷的電子再結合時，產生的能量有效的轉化成光。（資料來源：日本國立筑波大學、獨立行政法人科學技術振興機構）