臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要在探討如何將氮化鋁鎵/氮化鎵蕭基二極體積體化整合於氮化銦鎵交流發光二極體晶片上。
我們嘗試兩種在垂直結構上整合蕭基二極體與發光二極體之方法: (1) AlGaN/GaN蕭基二極體結構再成長於InGaN/GaN發光二極體結構上，(2) InGaN/GaN發光二極體結構再成長於AlGaN/GaN蕭基二極體結構上。但因為兩種方法皆面臨到蝕刻精準不易控制的問題，因此我們改用了選擇性區域再成長之方法，製作交流發光二極體之整合元件。其中我們利用具有AlGaN/AlN多層堆疊緩衝層之AlGaN/GaN蕭基二極體元件，達成順偏電流20 mA時操作電壓為2.75 V，與逆偏-200 V時漏電流大小為75 μA等優良特性，並藉由黃光微影製程方式成功將AlGaN/GaN蕭基二極體與InGaN/GaN發光二極體元件積體化於同一交流發光二極體晶片上。而交流發光二極體之發光面積約為晶片面積的88.4 %，其蕭基二極體僅占整體交流發光二極體面積之3.3 %。與傳統僅由LED所組成之交流發光二極體的特性做比較，在同樣直流偏壓130 V下，新型結合蕭基二極體之交流發光二極體提升了整體發光面積約47 %，而發光強度提升約28 %。

In this study, we investigated the detailed mechanisms on fabricating InGaN-based Alternating Current Light-emitting diodes (AC-LEDs) with AlGaN/GaN Schottky Barrier Diodes (SBDs).
We tried two methods for integrating vertical structures combined with SBDs and LEDs: (1) AlGaN/GaN SBD structure re-grown on InGaN/GaN LED structure, (2) InGaN/GaN LED structure re-grown on AlGaN/GaN SBD structure. Both of them had an accuracy problem of dry etching, so we developed a selective re-growth method to fabricate AC-LED incorporated with SBDs. In the SBD structure, we employed AlGaN/AlN multi-layers as the buffer layer to acquire the good device characteristics of an operation voltage of 2.75 V at 20 mA and a low leakage current of 75 μA at -200 V. Then we successfully demonstrated the integration of InGaN-based AC-LED chip with GaN SBDs by utilizing the photolithography process. The AC-LED has an emission area of about 88.4 % of the total chip area, while the integrated SBDs in a Wheatstone bridge (WB) scheme occupy only 3.3 % of the total chip area. Compare to the conventional WB AC-LEDs, the AC-LED integrated with SBD WB has a larger emission area by about 47 % and exhibit a higher integrated luminescence intensity by about 28 % at 130 V DC.

目錄
論文摘要---IV
Abstract---V
誌謝---VI
圖目錄---IX
表目錄---XIII
第一章 緒論---1
1.1 前言---1
1.2 研究動機---3
1.3 論文架構---7
第二章 交流發光二極體垂直結構整合之測試---8
2.1 前言---8
2.2 AlGaN/GaN蕭基二極體再成長於InGaN/GaN發光二極體上---8
2.2.1再成長AlGaN/GaN蕭基二極體結構與元件特性分析---8
2.2.2 InGaN/GaN發光二極體之X光繞射與光激發光量測分析---12
2.2.3 InGaN/GaN發光二極體之元件特性分析---14
2.3 InGaN/GaN發光二極體再成長於AlGaN/GaN蕭基二極體上---18
2.3.1再成長InGaN/GaN發光二極體之X光繞射與光激發光量測分析---18
2.3.2再成長InGaN/GaN發光二極體之元件特性分析---23
2.4 本章結論---25
第三章 成長於u-GaN緩衝層上之AlGaN/GaN蕭基二極體特性分析---26
3.1 前言---26
3.2 AlGaN/GaN蕭基二極體材料結構與霍爾量測分析---26
3.2.1 AlGaN/GaN蕭基二極體材料結構---26
3.2.2霍爾量測分析---28
3.3 AlGaN/GaN蕭基二極體元件電流-電壓特性分析---30
3.4微光偵測術 (Emission Microscopy, EMMI)量測之蕭基二極體漏電流分析---35
3.4.1微光偵測術量測原理---35
3.4.2蕭基二極體漏電流分析---35
3.5本章結論---37
第四章 選擇性區域再成長法製作交流發光二極體元件與特性分析---38
4.1 前言---38
4.2交流發光二極體材料結構與X光繞射量測---38
4.3交流發光二極體之光激發光特性量測與探討---41
4.4交流發光二極體之元件製作---43
4.5直流電源下之交流發光二極體元件特性分析---49
4.5.1電流-電壓特性分析---49
4.5.2電激發螢光光譜與光輸出功率量測---54
4.6本章結論---61
第五章 結論---62
參考文獻---64
 
圖目錄
圖1.2.1傳統交流發光二極體示意圖 (a) 平行反向串接 (b) 階梯式串接 (c)惠斯同電橋I (d) 惠斯同電橋II---6
圖1.2.2 結合蕭基二極體與發光二極體之惠斯同電橋示意圖---6
圖2.2.1 AlGaN/GaN異質結構能帶圖---10
圖2.2.2 AlGaN/GaN蕭基二極體再成長於發光二極體上之結構示意圖---11
圖2.2.3 蕭基二極體之 (a) 元件俯視圖 (b) 元件結構側視圖---11
圖2.2.4再成長蕭基二極體元件之 (a) 順向電流-電壓特性 (b) 逆向電流-電壓特性---11
圖2.2.5蕭基二極體元件漏電流途徑示意圖---12
圖2.2.6再成長蕭基二極體元件之 (a) 表面漏電流 (b) 垂直漏電流---12
圖2.2.7再成長蕭基二極體結構之發光二極體與發光二極體參考試片的X光繞射圖---13
圖2.2.8再成長蕭基二極體結構之發光二極體與發光二極體參考試片在 (a) 20 K (b) 室溫下之光激發光光譜---14
圖2.2.9 (a) 蝕刻蕭基二極體前與 (b) 蝕刻蕭基二極體後之再成長蕭基二極體於發光二極體結構之場發射掃描式電子顯微鏡側視圖---16
圖2.2.10發光二極體之順向與逆向電流-電壓特性 (a) 發光二極體參考元件 (b) 蝕刻掉蕭基二極體結構後的發光二極體元件---16
圖2.2.11發光二極體之電激發光圖 (a) 發光二極體參考元件 (at 5 mA) (b)蝕刻掉蕭基二極體結構後的發光二極體元件 (at 20 mA)---17
圖2.2.12發光二極體元件之 (a) Ti/Al/Ti/Au與p-GaN之金半接面電流-電壓特性 (b) Ni/Au與p-GaN之金半接面電流-電壓特性---17
圖2.3.1發光二極體再成長於蕭基二極體結構示意圖---20
圖2.3.2發光二極體再成長於蕭基二極體結構的表面形態之光學顯微鏡圖 (a) 區域一 (b) 區域二 (c) 區域三---20
圖2.3.3材料表面形態之場發射掃描式電子顯微鏡圖 (a) 發光二極體參考試片 (表面經過粗化) (b) 發光二極體再成長於蕭基二極體結構之試片---21
圖2.3.4發光二極體再成長於蕭基二極體結構與發光二極體參考試片結構之X光繞射圖---21
圖2.3.5室溫下發光二極體再成長於蕭基二極體結構與發光二極體參考試片結構之光激發光光譜---22
圖2.3.6發光二極體再成長於蕭基二極體結構之X光繞射圖 (a) 區域一 (b)區域二 (c) 區域三---22
圖2.3.7室溫下發光二極體再成長於蕭基二極體結構在不同區域下之光激發光光譜---23
圖2.3.8發光二極體元件之場發射掃描式電子顯微鏡圖 (a) 發光二極體參考試片 (b) 發光二極體再成長於AlGaN/GaN蕭基二極體結構試片---24
圖2.3.9發光二極體元件之電流-電壓特性 (a) 順向偏壓 (b) 逆向偏壓---24
圖3.2.1蕭基二極體元件結構示意圖 (a) SBD A (b) SBD B (c) SBD C (d) SBD D---27
圖3.3.1蕭基二極體元件之電流-電壓特性 (a) 順向偏壓 (b) 逆向偏壓---32
圖3.3.2蕭基二極體元件之順向串聯電阻示意圖---33
圖3.3.3蕭基二極體元件之漏電流途徑示意圖---33
圖3.3.4蕭基二極體元件之逆向漏電流 (a) 表面漏電流 (b) 垂直漏電流---33
圖3.3.5蕭基二極體元件之表面漏電流量測示意圖---34
圖3.3.6蕭基二極體結構之緩衝層電流大小---34
圖3.3.7蕭基二極體結構之緩衝層電流量測示意圖---34
圖3.4.1蕭基二極體之微光偵測術 (EMMI) 影像圖---36
圖3.4.2載子於蕭基二極體平台邊緣缺陷複合發光之示意圖---36
圖4.2.1蕭基二極體與再成長發光二極體結構區域之陣列示意圖---39
圖4.2.2結合蕭基二極體與發光二極體之交流發光二極體結構示意圖---39
圖4.2.3交流發光二極體之X光繞射圖---40
圖4.2.4交流發光二極體之GaN (0002) 與 (10-12) 之X光回擺曲線 (X-ray rocking curve, XRC)---40
圖4.3.1選擇性區域再成長發光二極體結構與發光二極體參考試片結構之光激發光光譜---42
圖4.3.2氮化鎵成長於藍寶石基板所受應力示意圖---42
圖4.3.3 (a) 發光二極體參考試片 (b) 再成長發光二極體結構的表面形態之場發射掃描式電子顯微鏡圖---42
圖4.4.1交流發光二極體製作流程圖---47
圖4.4.2交流發光二極體電流傳導示意圖---47
圖4.4.3串接各元件金屬斷裂之場發射掃描式電子顯微鏡圖---48
圖4.4.4交流發光二極體元件完成圖---48
圖4.5.1交流發光二極體元件等效電路圖 (a) AC-LED A (b) AC-LED B---51
圖4.5.2交流發光二極體元件在導通下之光學顯微鏡影像 (a) AC-LED A (b) AC-LED B---52
圖4.5.3交流發光二極體在直流電源下之電流-電壓特性---52
圖4.5.4 AC-LED B順向電流與逆向漏電流途徑示意圖---52
圖4.5.5 (a) 蕭基二極體與 (b) 發光二極體測試元件示意圖---53
圖4.5.6蕭基二極體測試元件之順向與逆向電流-電壓特性---53
圖4.5.7發光二極體測試元件之順向與逆向電流-電壓特性---53
圖4.5.8發光二極體p型歐姆接觸與p型氮化鎵之電流-電壓關係圖---54
圖4.5.9交流發光二極體在直流130 V下之電激發光光譜---57
圖4.5.10交流發光二極體在不同直流輸入功率下之電激發光積分強度---57
圖4.5.11交流發光二極體在直流130 V下之發光強度分佈圖 (a) AC-LED A (b) AC-LED B---58
圖4.5.12封裝後之交流發光二極體影像圖---58
圖4.5.13封裝後之交流發光二極體在不同直流功率下之光輸出功率與電流-電壓關係圖---59
圖4.5.14交流發光二極體之wall plug efficiency (WPE)---59
圖4.5.15推估理想之交流發光二極體在不同電流密度下之光輸出功率---60

 
表目錄
表1.2.1各型式之交流發光二極體的操作電壓與發光面積參數---5
表2.2.1再成長蕭基二極體元件之開啟電壓、特徵開啟電阻及漏電流之參數---10
表2.2.2發光二極體元件之n型與p型歐姆接觸電阻率---16
表2.3.1發光二極體參考元件與再成長發光二極體元件之電流-電壓特性---24
表3.2.1各蕭基二極體結構之霍爾量測片電阻、電子遷移率與載子濃度參數---29
表3.2.2估算各結構之相對差排缺陷密度大小---29
表3.3.1各蕭基二極體元件之操作電壓、特徵開啟電阻、漏電流之參數---32
表3.3.2利用傳輸線模型擬合各蕭基二極體元件之片電阻與歐姆接觸電阻率---32
表4.3.1藍寶石基板與氮化鎵之熱膨脹係數---41
表4.5.1交流發光二極體元件的電流-電壓特性與發光面積比例---51
表4.5.2蕭基二極體測試元件的電流-電壓特性與特徵開啟電阻---51
表4.5.3發光二極體測試元件的電流-電壓特性---51
表4.5.4參考文獻 [22]之發光二極體與交流發光二極體之晶粒大小參數---60

參考文獻

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