臺灣博碩士論文加值系統

隨著發光二極體(Light Emitting Diode, LED)技術發展成熟，由以往研究如何從製程面增加發光效率提高LED品質慢慢轉變成如何將LED應用在生活各層面，而目前最廣為人知的應用即為照明，因為LED具有高穩定性、低耗電及高壽命的優點，因此已大量使用在路燈、車燈等照明上，除此也有從單顆LED發展到陣列式LED，如顯示器背光源。
在本論文內研究LED在陣列上的應用，先探討目前常用LED的封裝基板，再分析從單顆LED到多顆的陣列式LED封裝後的特性，且因陣列LED會有熱累積的問題，因此以散熱油輔助散熱，最後我們將此陣列LED應用在光定址電位感測器(Light Addressable Potentiometric Sensors, LAPS)上，將陣列式LED光源直接置於半導體感測器背面，大幅減少LED與感測器之距離；其中，利用透明基板會增加LED輸出效率的特性，增加照在LAPS半導體上的光通量，優化LAPS的量測。

With the mature development of light-emitting diode (LED) technology, related study turns to be taken application in our life instead of how to increase the efficiency of LED. Nowadays, the most widely known application of LED is lighting, due to its high stability, low power consumption and long life time. Furthermore, LED also has been widely used in street lamps, car headlight and display backlight LED array.
In this thesis, we study the application of transparent sub-mount LED based array. First, we adopt the easy find glass sub-mount for our LED. Then we find a problem of heat accumulation caused by the glass sub-mount, so we use cooling oil to solve this problem. Finally, we apply this LED array to Light Addressable Potentiometric Sensors(LAPS). We place LED array on the back side of the semiconductor of LAPS, as the backlights. Such a method greatly reduces the distance between the LED and the sensor. Especially, we mount LED on transparent sub-mounts, which can increase the output characteristics of LED and make the measurement better because of the light flux increased.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 ix
第一章 導論 1
1.1前言 1
1.2研究背景 2
1.3研究動機 5
1.4論文架構 6
第二章 實驗原理 7
2.1LED工作原理 7
2.2覆晶式LED 12
2.3LAPS感測元件之基本MOS結構之理論探討 16
2.4EIS (Electrolyte Insulator Semiconductor)離子感測器 22
2.5光定址電位感測器 25
第三章 實驗步驟與方法 28
3.1陣列式LED光源製作流程 29
3.2感測膜製作 36
3.3 PCB基板封裝背光源及感測膜 36
3.4感測元件電容-電壓(C-V)量測 38
3.5 陣列LED的驅動 41
3.6 積分球量測原理 43
3.7 RTA退火優化介電層 45
3.8 UV-VIS-NIR 分光光譜儀 46
第四章 實驗結果與數據分析 47
4.1傳統不透明與本實驗透明之不同基板比較 47
4.2基分球量測LED之光通量-電壓圖 50
4.3 快速熱退火RTA前後EIS結構之C-V量測 52
4.4 LAPS感測器之光電流與電壓量測 59
第五章 結論與未來展望 64
參考文獻 65

圖目錄
圖1-1 (a) 直接能隙半導體能帶圖(b)間接能隙半導體能帶圖 2
圖1-2近10年全球LED照明市場規模 3
圖1-3全球LED元件應用市場比重 4
圖2-1 常用的半導體能帶與其發光波長分布圖 7
圖2-2P-N二極體與PN接面示意圖 9
圖2-3(a)電子電洞產生擴散現象 9
圖2-3(b) P-N接面形成的內建電場 10
圖2-3(c) P-N接面擴散電流與漂移電流平衡後形成空乏區 10
圖2-3(d) P-N二極體電子電洞在空乏區及其附近復合 10
圖2 4(a)同質PN接面二極體未加偏壓 11
圖2 4(b)同質PN接面二極體加順向偏壓之能階與能帶變化圖 11
圖2 4(c)PN異質接面發光二極體加順向偏壓之能階與能帶變化圖 12
圖2-5覆晶式LED結構及熱流示意 15
圖2-6 PSS型覆晶式LED 15
圖2-7 傳統不透光與提出的透光封裝基板比較 16
圖 2 8金氧半電容示意圖 17
圖 2 9電容-電壓 (C-V) 曲線上的三種不同偏壓狀態區域圖 18
圖 2 10 P型聚集模式下MOS的能帶圖與電荷分布圖 19
圖 2 11空乏模式下MOS的能帶圖與電荷分布圖 19
圖 2 12反轉模式下MOS的能帶圖與電荷分布圖 20
圖 2 13氧化層捕陷電荷對C-V曲線的影響 22
圖 2 14 EIS結構剖面圖 22
圖 2 15 EIS各界面間之能帶關係圖 24
圖 2 16EIS及光定址電位感測器結構 27
圖3-1 流程示意圖 28
圖3-2 LED覆晶用之金屬背電極圖形 30
圖3-3背面LED之覆晶電極 32
圖3-4打線機台Kulicke&Soffa 4522 34
圖3-5將金球打LED之金屬電極上用以覆晶 34
圖3-6覆晶機台 35
圖3-7超音波覆晶LED鍵合流程圖 35
圖3-8覆晶後之背電極成品 36
圖3-9正面工作電極及感測膜層EIS結構 36
圖3-10 委外製作的PCB板 37
圖3-11 使用螺絲及螺帽鎖完成的感測元件 38
圖3-12黑箱量測平台 39
圖3-13 GaN之EIS基本結構 39
圖3-14 C-V量測示意圖 40
圖3-15 C-V量測流程圖 40
圖3-16(a)Keithley 2410 (b)Arduino Mega 2560 (c)Lock-in AmpSR830 41
圖 3 17 I-V量測示意圖 42
圖3-18遲滯效應示意圖 43
圖3-19積分球架構示意圖 44
圖3-20積分球量測系統實體照 44
圖3-21 RTA運作原理 45
圖3-22 UV-VIS-NIR工作原理 46
圖4-1 玻璃、藍寶石、矽基板穿透率分析 48
圖4-2傳統不透明與本實驗透明之不同基板比較 49
圖4-3覆晶藍光LED在玻璃上有無散熱油趨勢比較 50
圖4-4左為溫度升高後透明散熱油，右為低溫下黏稠不透明散熱油 50
圖4-5陣列LED在不同電壓下之光通量 51
圖4-6偏壓3V時，陣列LED光通量平面圖 52
圖4-7 RTA升溫及降溫曲線 53
圖4-8未退火GaN/SiO2 C-V曲線 55
圖4-9 RTA10秒GaN/SiO2 C-V曲線 55
圖4-10 RTA30秒GaN/SiO2 C-V曲線 56
圖4-11 RTA60秒GaN/SiO2 C-V曲線 56
圖4-12 RTA30秒GaN/SiO2 C-V曲線以VFB0.6時的線性度 57
圖4-13 SiO2/GaN之Hysteresis 58
圖4-14 實驗室過去SiO2/GaN之Hysteresis 58
圖4-15 pH2下不同LED對應半導體位址的光電壓對電壓圖 60
圖4-16 pH4下不同LED對應半導體位址的光電壓對電壓圖 60
圖4-17 pH6下不同LED對應半導體位址的光電壓對電壓圖 61
圖4-18 pH8下不同LED對應半導體位址的光電壓對電壓圖 61
圖4-19 pH10下不同LED對應半導體位址的光電壓對電壓圖 62
圖4-20 LAPS I-V曲線 63
圖4-21 GaN/SiO2 I-V曲線以VFB0.6時的線性度 63

[1]LED照明分析，http://www.moneydj.com/HotProduct/HTML/PA17- 2.html。
[2]IEK產業經濟與趨勢研究中心。
[3]PN二極體的簡介，http://ezphysics.nchu.edu.tw/prophys/electron。
[4]郭浩中、賴芳儀、郭守義，《LED原理與應用》，民國九十八年，五南股份有限公司發行。
[5]半導體雷射導論-光電半導體異質接面。
[6]LED原理與應用Principles and Applications of Light emitting diode。
[7]J. J. Wierer, D. A. Steigerwald, M. R. Krames, J. J. O’Shea, M. J. Ludowise, G. Christenson, Y. C. Shen, C. Lowery, P. S. Martin, S. Subramanya, W. Gotz, N. F. Gardner, R. S. Kern, and S. A. Stockman, “High-power AlGaInN flip-chip light-emitting diodes”, Appl. Phys. Lett., (2001) 78, 3379.
[8]June-O Song, JoonSeopKwak, Tae-YeonSeong, “Cu-doped indiumoxide/Ag ohmic contacts for high-power flip-chip light emitting diodes”, Appl. Phys. Lett.,(2005) 86,062103.
[9]Ming-Yi Tsai, Chung-Yi Tang, Chia-Yi Yen, and Liann-Be Chang, “Bump and Underfill Effects on Thermal Behaviors of Flip-Chip LED Packages: Measurement and Modeling”, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, VOL. 14, NO. 1, MARCH 2014.
[10]C. F. Shen, S. J. Chang, W. S. Chen, T. K. Ko, C. T. Kuo, and S. C. Shei, “Nitride-Based High-Power Flip-Chip LED With Double-Side Patterned Sapphire Substrate”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 19, NO. 10, MAY15, (2007).
[11]Singh, P, Yeh, D-H, Tan, C-M, Lai, C.-S, Hou, C-T, Chao, T-Y, Chang, L.-B, “Output Properties of Transparent Sub-mount Packaged Flip Chip Light Emitting Diode Modules”, Applied Sciences 2016.
[12]An, C.-C., Wu, M.-H., Huang, Y.-W., Chen, T.-H., Chao, C.-H., Yeh, W.-Y., “Study on flip chip assembly of high density micro-LED array”, IMPACT, art. No. 6117235, pp.336-338.,2011.
[13]S.M Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley & Sons Inc., 1981.
[14]B. H. Van Der Schoot, H. H. Van Den Vlekkert, N. F. De Rooij, A Van Den Berg, and A. Grisel “A Flow Injection Analysis System with Glass-Bonded ISFETs for the Simultaneous Detection of Calcium and Potassium Ion and pH”, Sensors and Actuators B, Vol. 4, pp. 239-241, 1991.
[15] Ko-ichiro Miyamoto, Torsten Wagner, Shuhei Mimura, Shin’ichiro Kanoh, Tatsuo Yoshinobu, Michael J. Schoning “Constant-phase-mode operation of the light-addressable potentiometric sensor”, Sensors and Actuators B154(2011)119-123.
[16]P. Bergveld, “Thirty years of ISFETOLOGY what happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years”, Sensors and Actuators B, 88, pp.1-20, 2003.
[17]M. Grattarola, A. Cambiaso, S. Cenderelli and M. Tedesco, “Capacitive measurements in electrolyte-insulator semiconductor (EIS) systems modified by biological materials”, Sensors and Actuators, 17, pp.451 - 459, 1989.
[18]Fung, C.D., Larkins, G.L., “Planar silicon field-effect transistors with Langmuir-Blodgett gate insulators”, Thin Solid Films 132, Issue 1-4, pp. 33-39,1985.
[19]Hafeman D. G. et al, “Light addressable potentiometric sensor for biochemical systems”, Science, 240, pp.1182-1185,1988.
[20]Owicki J. C. et al, “The light addressable potentiometric sensor: principles and biological applications”, Ann. Rev. Biophys, Biomol. Struct., 23, pp.87-113, 1994.
[21]Seki A. et al, “Novel cation sensors based on a silicon transducer.”, Anal. Chim. Acta., 382, pp.131-136, 1999.
[22] Wen Zhang, Yan Zhao, Da Ha, Wei Cai, Ping Wang, “Light-addressable potentiometric sensor based on precise light intensity modulation for eliminating measurement error caused by light source”, Sensors and Actuators A 185 (2012) 139-144.
[23]Chen, C.-H, Yang, C.-M, Chang, L.-B, Lai, C.-S, “IGZO Thin-film Light-addressable Potentiometric Sensor”, IEEE Electron Device Letter 2016
[24]Chang, L.B., Chen, P.C., Jeng M.C. “Stack layer SiO2/Gd2O3/SiO2/GaAs pH-sensitive electrolyte insulator semiconduc-tor capacitors and their anneal temperature dependency”, Journal of The Electrochemical Society, 157, pp.234-239, 2010.
[25]Torsten Wagner, Carl Frederik B. Werner, Ko-Ichiro Miyamoto,Michael J. Schoning, Tatsuo Yoshinobu “A high-density multi-point LAPS set-up using a VCSEL arrayand FPGA control”, Sensors and Actuators B 154 (2011) 124-128
[26]鍾與采，趙守安，劉濤，pH-ISFET 輸出時漂特性的研究，半導體學報，第15 卷，第12 期838-843，1994。
[27]Peter Hein, and Peter Egger, “Drift behaviour of ISFETs with Si3N4-SiO2 gate insulator”, Sensors and Actuators B, Vol.13, pp.655-656,1993.
[28]楊富翔，工研院量測中心，顯示器光度/色彩設計原理，2008年
[29]吳貴能，全光通量量測方法，LED照明量測技術訓練班，2008年
[30]Chien-Ping Wang, Shung-Wen Kang, Kuan-Min Lin, Tzung-Te Chen, Han-Kuei Fu, and Pei-Ting Chou, “Analysis of Thermal Resistance Characteristicsof Power LED Module”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 61, NO. 1, JANUARY 2014
[31] N. Lobo Ploch, H. Rodriguez, C. Stölmacker, M. Hoppe, M. Lapeyrade, J. Stellmach, F. Mehnke,Tim Wernicke, A. Knauer, V. Kueller, M. Weyers, S. Einfeldt, and M. Kneissl, “Effective Thermal Management in UltravioletLight-Emitting Diodes With Micro-LED Arrays”,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 60, NO. 2, FEBRUARY 2013
[32]Chunjin Hang, JingmingFei, Hong Wang, Chunqing Wang, “Thermal characterization of high power LED array in Aluminum Base Copper Clad Laminatepackage”, 2012 International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging