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研究生:蔡宗志
研究生(外文):Zong Jhih Cai
論文名稱:奈米級光子晶體結構於氮化銦鎵發光二極體之光電特性研究
論文名稱(外文):Investigation of the optical and electrical properties of nanoscale photonic crystal structure in InGaN light emitting diodes
指導教授:吳國梅
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:光電工程研究所
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:2008
畢業學年度:96
論文頁數:112
中文關鍵詞:發光二極體氮化銦鎵光子晶體
外文關鍵詞:LEDInGaNPhotonic crystal
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中文摘要
本論文中,我們以二維光子晶體孔洞陣列提高LED的外部量子效率。我們利用聚焦離子束機台實際將週期300nm至800nm之二維光子晶體孔洞陣列製作於氮化鎵發光二極體元件上,並觀察不同光子晶體週期參數相互間的光電特性關係。使用聚焦離子束法製作二維光子晶體孔洞陣列具有設計靈活、製程簡單且具高精確度等優點。二維光子晶體孔洞為三角陣列,深度與直徑分別為100nm和150nm。之後對於製作出來的樣品使用變溫的L-I和I-V量測並探討其結果,使用R-soft軟體對二維光子晶體發光二極體結構進行模擬後亦得到與量測相符的結果。
Abstract
In this study, we improve external efficiency of LEDs by using 2D-PCs air holes array. We have fabricated 2D-PCs air hole arrays on the p-GaN surface of GaN LEDs by using focused ion beam (FIB) in a dual-beam nanotechnology workstation system SMI 3050, and we observed the relationship of 2D-PCs with different period from 300nm to 800nm too. Nanopatterning using FIB etching saves process and time. Furthermore, a computer program can carry out the entire and sophisticated etching process automatically. The 2D-PCs structure is triangular array. The depth and diameter of 2D-PCs is 100nm and 150nm, respectively. We measured PC-LEDs with temperature-dependent L-I and I-V, and we discussed the results. In addition, we developed R-soft simulation tools for PC-LED structures and the simulation results supported our experimental observations.
目 錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 vi
英文摘要 vii
目 錄 viii
圖目錄 xi
第一章 序論 1
1-1前言 1
1-2光子晶體 1
1-3實驗目的與方法 2
1-4論文架構 3
第二章 文獻回顧與相關原理 4
2-1 光子晶體基本概念與應用 4
2-1.1光子晶體歷史沿革 4
2-1.2光子晶體基本概念與原理 6
2-1.3光子晶體模擬與演算工具 9
2-1.4 有限時域差分法推導 12
2-2 Nitride-based LED 19
2-2.1氮化鎵材料之歷史沿革與特性簡介 19
2-2.2氮化鎵發光二極體元件發光原理與量子效率 22
2-3光子晶體發光二極體(Photonic Crystal LEDs) 25
2-3.1發光二極體之表面粗糙化 25
2-3.2不同维度之光子晶體發光二極體製作 28
2-3.3二維光子晶體發光二極體之製作方法與優缺點 32
第三章 實驗製程與量測儀器 39
3-1聚焦離子束(Focus Ion Beam ; FIB) 39
3-1.1 聚焦離子束(FIB)工作原理與功能 39
3-1.2 FIB應用: 44
3-2 實驗設計與製程參數 49
3-2.1 試片結構 49
3-2.2 光子晶體pattern設計 50
3-2.3 製程流程與參數 51
3-3量測系統 59
3-3.1 電流電壓關係(I-V)量測系統 59
3-3.2 發光強度對電流變化(L-I)量測系統 59
第四章 實驗結果與討論 60
4-1 實際製作的光子晶體發光二極體元件 60
4-2 不同溫度的週期對發光強度的特性結果分析 66
4-3 二維光子晶體孔洞陣列於氮化鎵發光二極體上之出光模擬 73
4-4不同週期樣品的溫度對發光強度特性結果分析 78
4-5 不同週期樣品的電流電壓特性結果分析 87
第五章 結論 90
第六章 未來展望 92
參考文獻 93









圖目錄
圖2.1.1 以穿透率和波長作圖來表示光子能隙 7
圖2.1.2 上兩圖為蝴蝶翅膀 下兩圖為蛋白石 8
圖2.1.3 一維光子晶體 8
圖2.1.4 二維光子晶體 9
圖2.1.5 三維光子晶體 9
圖2.1.6 電場與磁場在Yee晶格中的網格分佈的情形 14
圖2.2.1 六方晶體的烏采(Wurtzite)結構圖 20
圖2.2.2 (a)直接能隙半導體 (b)間接能隙半導體 21
圖2.2.3 Ⅲ-Ⅴ氮化物材料晶格常數與能隙之關係圖 22
圖2.2.4 (a)P型與N型半導體結合時在未受偏壓的情況; (b)當接上順向偏壓的時候,使電子及電洞更容易跨過空乏區。 23
圖2.3.1 光子在半導體中散射的示意圖 25
圖2.3.2 二維光子晶體LED上週期性介電質柱,(a)為上視圖(b)側視圖(K.J.Byeon et.al,APL,91,2007) 30
圖2.3.3 自組裝奈米小球堆疊三維光子晶體圖(C.H.Chan and C.C.Chen et.al,Nanotechnology,16,2005) 31
圖2.3.4 電子束微影法製作流程圖 34
圖2.3.5 雷射全像術系統示意圖 35
圖2.3.6 雷射全像術產生的光點(左)對照製作出來的光子晶體圖形(右) 35
圖2.3.7 陽極鋁氧化法系統與結構示意圖 37
圖2.3.8 陽極鋁氧化法製作出的孔洞SEM圖,左為99.95%純度鋁箔,右為99.999%純度鋁箔 37
圖2.3.9 奈米壓印法製作流程圖 38
圖3.1.1 聚焦離子束(FIB)機台 (高屏地區奈米核心設施共同實驗室) 40
圖3.1.2 離子束入射固體試片示意圖 41
圖3.1.3 光學系統與FIB系統比較圖 41
圖3.1.4 FIB系統與成像方塊圖 42
圖3.1.5 FIB用於IC電路修正上的工作流程圖 45
圖3.1.6 FIB應用於Carbon Nanotube for microscopy之SEM圖(Lee Chow et.al,Carbon,43,2003) 46
圖3.1.7 FIB應用於Carbon Nanotube for AFM 之SEM圖 47
圖3.1.8 FIB應用於製造透鏡結構(Ming-Kwei Lee et.al,ECS,10,2007) 47
圖3.1.9 FIB應用於製造複雜3D結構(Stefano Cabrini et.al,SPIE,6462,2007) 48
圖3.2.1 本論文中使用的氮化鎵試片結構圖 49
圖3.2.2 三角陣列二維光子晶體介電質孔洞示意圖(以週期400nm為例) 50
圖3.2.3 本論文的氮化鎵光子晶體發光二極體製作流程圖 52
圖3.2.4 本論文的氮化鎵光子晶體發光二極體示意圖 53
圖3.2.5 製程中使用到的機台:左上為旋轉塗佈機;右上為電感耦合電漿蝕刻機;左下為曝光機;右下為電子槍蒸鍍機;正中為快速熱退火機台 58
圖4.1.1 FIB蝕刻在p-GaN表面之二維光子晶體陣列孔洞SEM圖 62
圖4.1.2 實際製作出來的三角陣列光子晶體圖,直徑為150nm,週期為400nm 63
圖4.1.3 光子晶體發光二極體元件圖 64
圖4.1.4 元件經探針自p、n兩接點通電流點亮後圖 65
圖4.2.1 溫度30℃時六個不同週期樣品的L-I圖 68
圖4.2.2 溫度40℃時六個不同週期樣品的L-I圖 69
圖4.2.3 溫度60℃時六個不同週期樣品的L-I圖 70
圖4.2.4 溫度80℃時六個不同週期樣品的L-I圖 71
圖4.2.5 在5mA時不同溫度的週期對發光強度圖 72
圖4.3.1 以Fullwave模擬二維光子晶體結構示意圖 75
圖4.3.2 以R-soft軟體模擬二維光子晶體三角孔洞陣列範例圖 76
圖4.3.3 半徑50nm至100nm三角陣列二維光子晶體孔洞結構之Fullwave模擬結果圖 77
圖4.4.1 週期300nm樣品的四個不同溫度的L-I圖 80
圖4.4.2 週期400nm樣品的四個不同溫度的L-I圖 81
圖4.4.3 週期500nm樣品的四個不同溫度的L-I圖 82
圖4.4.4 週期600nm樣品的四個不同溫度的L-I圖 83
圖4.4.5 週期700nm樣品的四個不同溫度的L-I圖 84
圖4.4.6 週期800nm樣品的四個不同溫度的L-I圖 85
圖4.4.7 在5mA時不同週期樣品的溫度對發光強度圖 86
圖4.5.1 在30℃時不同週期樣品的電流電壓特性圖 89
參考文獻
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