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研究生:陳光智
研究生(外文):Chen, Kuang-Chih
論文名稱:運用鍍膜提升氮化鎵發光二極體外部量子效率之研究
論文名稱(外文):Investigation of Improving External Quantum Efficiency of GaN-Based LEDs by Using Evaporative Films
指導教授:謝立人謝立人引用關係
指導教授(外文):Hsieh, Li-Zen
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學中正理工學院
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:59
中文關鍵詞:氮化鎵發光二極體光取出效率藍寶石基板薄化加工真空熱蒸鍍反射鏡活性層外部量子效率
外文關鍵詞:GaNLEDsLight-extraction efficiencySapphire substrateThinning processVacuum evaporationReflectorActive regionExternal quantum efficiency
相關次數:
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  氮化鎵材料系列發光二極體(GaN-Based LEDs)於藍綠光及紫外光波段範圍光電元件的廣泛運用,近來受到相當重視。然而,其內部量子效率雖因磊晶成長技術漸趨成熟及相關製程的大幅改善已獲得顯著提升,惟其元件之光取出效率(Light Extraction Efficiency)卻仍有著相當大的改進空間。針對此項缺失,各方研究了許多改善方法:諸如改變元件外形、覆晶技術、元件表面粗化、布拉格反射鏡、及全向反射鏡等,均已成功運用於元件之製作。
  本論文試著探討如何以簡單之製程技術,有效改善氮化鎵藍綠光發光二極體之外部量子效率。首先利用氮化鎵發光二極體藍寶石基板之背面薄化加工技術,將氧化鋁成分之藍寶石基板磨薄及拋光,再以金屬蒸鍍薄膜於其背面形成一層反射鏡(Reflector),俾利能將氮化鎵發光二極體元件活性層(Active Region)所產生之等向性光源中向下傳達至基板被吸收或在材料內部耗損的部分,藉由此反射鏡有效反射至元件作垂直正向析出。元件製備完成後,藉由光電特性量測,對鍍上金屬薄膜反射鏡及一般製程的氮化鎵發光二極體作發光強度及輸出功率的分析比較,以評估發光效率之提升效果。
  經由實驗發現,運用真空熱蒸鍍方式在氮化鎵發光二極體完成薄化加工處理之藍寶石基板背面形成厚達200nm的銀(Ag)金屬薄膜反射鏡時,元件之發光強度得以提升達1.25倍,可有效改善元件整體外部量子效率。
  GaN-based LEDs have recently attracted considerable interest due to their applications for optoelectronic devices, which are active in the blue/green and UV wavelength regions. However, there is still a great need for improvement of the light-extraction efficiency instead of the internal quantum efficiency, which has improved a lot by great crystal quality and epitaxial layer structure. There are several ways to obtain high extraction efficiency including shaping of LED dies, flip-chip mounting, roughening of the top LED surface, introducing distributed bragg reflectors (DBRs), and omni-directional reflectors (ODRs).
  In this thesis, we try to improve the external quantum efficiency of GaN blue/green light emitting diodes (LEDs) by means of simple process techniques. The sapphire substrate of the GaN LED is first thinned and polished by the backside thinning process. Then the evaporative metal coating layer on the bottom side of the substrate is formed as a reflector in order to reflect the portion of light, which generated from the active region and goes down to the substrate or losses inside the material of the GaN LED, let the light output from the vertical topside of the device. The comparison of luminous intensity and output power between LEDs coated with metal reflectors and non-coated LEDs will be discussed according to the related measurements of optoelectronic characteristics, so we can evaluate the enhancement of light extraction efficiency of GaN blue/green light emitting diodes due to the experiment result.
  By employing the 200nm-thick vacuum evaporative silver (Ag) thin film as the metal reflector on the bottom side of the thinning sapphire, the output power of the GaN LED shows a 125% increase compared to that of an GaN LED before metal evaporation, which improves the external quantum efficiency effectively.
目錄

誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
1.緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2論文架構 3
2.基本原理簡介 4
2.1發光二極體之工作原理 4
2.1.1發光二極體的發光機制 4
2.1.2發光二極體的材料應用 6
2.2發光二極體之發光效率 8
2.2.1外部量子效率與內部量子效率 8
2.2.2光取出效率的提升技術 11
2.3金屬鍍膜反射鏡之應用 16
2.3.1金屬材料的反射特性 16
2.3.2金屬鍍膜的製作方式 19
2.3.3發光元件反射鏡的應用 20
3.實驗製程與量測 24
3.1實驗設計流程 24
3.2實驗元件結構 26
3.3晶片基板研磨與拋光 27
3.4晶片清洗與準備 28
3.5元件基板背面金屬反射鏡蒸鍍 29
3.5.1金屬薄膜材料選擇 29
3.5.2真空蒸鍍系統 30
3.6實驗元件特性量測 31
3.6.1元件光性(EL、L-I)量測 31
3.6.2元件電性(I-V)量測 33
3.6.3反射鏡鍍膜表面粗度(AFM)量測 34
4.實驗結果與討論 37
4.1金屬反射鏡功能驗證 37
4.2金屬鍍膜反射率比較 38
4.3元件電激螢光法(EL)量測數據分析 40
4.4元件光輸出與電流(L-I)量測數據分析 45
4.5元件電流與電壓(I-V)量測數據分析 50
4.6反射鏡鍍膜表面粗度量測分析 51
5.結論與未來精進方向 55
參考文獻 57
自傳 59
=====================================================================
表目錄

表 2.1 藍寶石主要特性表 7
表 3.1 鑽石砂輪加工實驗參數表 27
表 3.2 不同金屬反射率比較表 29
表 3.3 真空熱蒸鍍系統製作金屬薄膜參數表 31
表 3.4 電激螢光(EL)系統量測參數表 32
=====================================================================
圖目錄

圖 2.1 簡單的p-n二極體結構示意圖 4
圖 2.2 半導體材料內電子與光子的相互作用示意圖 5
圖 2.3 半導體發光材料晶格常數與能隙圖 6
圖 2.4 二極體p-n接面的光子放射示意圖 10
圖 2.5 電流堵塞元件結構示意圖 11
圖 2.6 倒置截頂尖塔(Truncated-Inverted-Pyramid)造型發光二極體 12
圖 2.7 平面及有織結構元件表面之光反射比較示意圖 13
圖 2.8 晶片粘貼製程示意圖 13
圖 2.9 薄化氮化鎵(Thin GaN)元件製程示意圖 14
圖 2.10 覆晶(Flip Chip)元件結構示意圖 15
圖 2.11 覆晶與晶片粘貼技術結合運用製作GaN元件過程示意圖 16
圖 2.12 導體內自由電子受光照射產生振盪示意圖 17
圖 2.13 光學元件反射的主要分類 18
圖 2.14 真空熱蒸鍍系統架構示意圖 19
圖 2.15 單層金屬反射鏡的LED結構示意圖 21
圖 2.16 具布拉格反射鏡的LED結構示意圖 22
圖 2.17 具全向反射鏡的LED結構示意圖 23
圖 3.1 實驗設計流程圖 25
圖 3.2 實驗元件(氮化鎵發光二極體)結構圖及俯視圖 26
圖 3.3 可程式設定自動化平面磨床(KENT公司生產) 27
圖 3.4 機械化學拋光系統示意圖 28
圖 3.5 晶片清洗與準備程序圖 29
圖 3.6 真空熱蒸鍍系統Edward E306A設備圖 30
圖 3.7 電激螢光(EL)系統架構示意圖 32
圖 3.8 二極體p-n接面順向及逆向偏壓的I-V特性圖 34
圖 3.9 原子力顯微鏡系統架構示意圖 35
圖 4.1 一般GaN與基板背鍍Ag金屬反射鏡GaN LED之EL比較圖 38
圖 4.2 銀、鋁、金三種金屬蒸鍍薄膜反射率量測比較圖 39
圖 4.3 一般GaN LED基板背鍍不同金屬反射鏡EL比較圖 40
圖 4.4 鍍膜50nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件EL比較圖 41
圖 4.5 鍍膜100nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件EL比較圖 42
圖 4.6 鍍膜200nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件EL比較圖 43
圖 4.7 鍍膜300nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件EL比較圖 44
圖 4.8 不同厚度鍍膜Ag反射鏡實驗元件與對照元件EL比較圖 45
圖 4.9 鍍膜50nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件L-I比較圖 46
圖 4.10 鍍膜100nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件L-I比較圖 47
圖 4.11 鍍膜200nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件L-I比較圖 48
圖 4.12 鍍膜300nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件L-I比較圖 49
圖 4.13 不同厚度鍍膜Ag反射鏡實驗元件與對照元件L-I比較圖 50
圖 4.14 鍍膜200nm Ag反射鏡實驗元件與對照元件I-V比較圖 51
圖 4.15 鍍膜50nm Ag反射鏡實驗元件表面粗度AFM量測圖 52
圖 4.16 鍍膜100nm Ag反射鏡實驗元件表面粗度AFM量測圖 52
圖 4.17 鍍膜200nm Ag反射鏡實驗元件表面粗度AFM量測圖 53
圖 4.18 鍍膜300nm Ag反射鏡實驗元件表面粗度AFM量測圖 53
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