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研究生:練俊偉
研究生(外文):Chun Wei Lien
論文名稱:脈衝時間於矽基板氮化合物高功率發光二極體接面溫度之研究
論文名稱(外文):Effect of pulse duration in measurements of the junction temperature of high-power nitride LED on Si substrate
指導教授:張本秀
指導教授(外文):P. H. Chang
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:66
中文關鍵詞:接面溫度發光二極體氮化合物矽基板
外文關鍵詞:junction temperatureLEDnitrideSi substrate
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摘要
氮化鎵 ( GaN ) 一直是近年來被廣泛採用的光電元件與半導體材料,由於應用在許多電子產品中,相關研究都朝向輕、薄、短、小、效率提升及元件壽命增長努力。由於發光二極體是由半導體材料製作而成,所以溫度對於發光二極體在操作時的特性有決定性的影響,而且可被預期的是,發光二極體在未來的相關應用將會在更大的功率之下操作,也代表著將在更高的溫度之下操作,因此對發光二極體的溫度研究是相當重要的課題。
在本論文中,我們所使用的樣品為矽基板高功率氮化鎵發光二極體 ( GaN-Based Power-Chip LED ),利用廣泛且較為準確的順向偏壓法( forward-voltage method )來量測發光二極體的接面溫度( junction temperature )。當發光二極體有較大的串聯電阻値 ( Rs ) 時,勢必會影響其接面溫度,所以我們亦討論串聯電阻效應( effect of series resistance ) 對接面溫度的影響。接著再藉由改變脈衝電壓( Pulse ) 頻率的方法來探討加熱效應 ( heating effect )。同時我們利用不同設計的叉指狀電極 ( 3P3N、4P3N、4P4N ) 以改善發光二極體的電流擁擠效應( current crowding effect )使得提高發光效率及其元件壽命。
Abstract
GaN has been generally used opto-electrical semi-conductor material recently. In many electronic devices, related research has been focused on it forward voltage, light output and life time performance. GaN-based power chip LED is made of semiconductor material therefore the temperature plays a major role during its functioning process, and its foreseeing that the future of related field in LED will be broadly created and used in many products. It also means that it could be used in higher temperature which made the study of junction temperature in multi-quantum wells of LED becomes an important issue.
In this thesis, the samples that we used are GaN - Based Power - Chip LED on Si substrates, by using forward – voltage method to measure the junction temperature of the LED with DC and pulse mode. Effect of pulse-duration was studied. Effect of series resistance was also discussed when analyzing the junction temperature by this method. Samples with different finger geometry, 3P3N, 4P3N and 4P4N, were compared in this work to prevent the current crowding effect in LED, enhance the luminescence efficiency, lower the junction temperature and therefore improve device lifetime. Details were discussed in this thesis.
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………………………………………………………………v
英文摘要………………………………………………………………vi
目錄..............................................vii
圖目錄............................................ix
表目錄............................................xi

第一章 序論………………………………………………………1
1-1簡介……………………………………………………………1
1-2材料發展背景及特性…………………………………………2
1-3研究動機………………………………………………………4
1-4論文架構………………………………………………………6
第二章 實驗原論…………………………………………………7
2-1直接與間接能隙半導體………………………………………7
2.2發光二極體的工作原理………………………………………8
2-3發光效率與量子效率…………………………………………9
2-4電流擁擠效應………………………………………………11
2-5順向偏壓與接面溫度關係…………………………………11

第三章 實驗架構與量測儀器………………………………………17
3-1實驗樣品結構…………………………………………………17
3-2量測儀器………………………………………………………18
3-3電流-電壓量測………………………………………………18
3-3-1 Pulse與DC I-V變溫量測……………………………18
3-3-2 Pulse I-V變溫變頻量測………………………………20
3-4高解析度穿透式電子顯微鏡………………………………20
第四章 量測結果與分析……………………………………………22
4-1順向偏壓法………………………………………………………23
4-2脈衝變頻電流-電壓量測………………………………………25
4-3量測結果討論…………………………………………………26
第五章 結論………………………………………………………27
參考文獻……………………………………………………………52


圖目錄
Fig. 1-1 III-V 族氮化物晶格常數對能隙之關係…………………28
Fig. 2-1 直接與間接能隙波向量關係圖……………………………29
Fig. 2-2 二極體之能帶結構圖………………………………………29
Fig. 2-3 輻射與非輻射復合過程……………………………………30
Fig. 2-4 順向偏壓與串聯電阻關係圖………………………………30
Fig. 3-1 矽基板上的氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井結構……………31
Fig. 3-2 樣品結構之高解析度穿透式電子顯微鏡影像……………32
Fig. 3-3 不同叉指狀電極發光二極體圖示…………………………33
Fig. 3-4 電流-電壓量測流程示意圖…………………………………34
Fig. 3-5 HR-TEM明視野及暗視野影像……………………………35
Fig. 4-1 變溫Pulse (100Hz) I-V……………………………………36
Fig. 4-2 隨溫度變化之順向偏壓( Pulse-100Hz )…………………37
Fig. 4-3 300K時之電流與接面溫度關係圖………………………38
Fig. 4-4 不同樣品之電流與接面溫度關係…………………………39
Fig. 4-5 320K 時之接面溫度變化 (4P3N)…………………………40
Fig. 4-6 340K時之接面溫度變化 (4P3N)…………………………40
Fig. 4-7 360K 時之接面溫度變化 (4P3N)…………………………41
Fig. 4-8 380K 時之接面溫度變化 (4P3N)…………………………41
Fig. 4-9 400K 時之接面溫度變化 (4P3N)…………………………42
Fig. 4-10 420K 時之接面溫度變化 (4P3N)…………………………42
Fig. 4-11不同溫度下接面溫度比較圖……………………………….43
Fig. 4-12 DC與 Pulse I-V 關係圖…………………………………..44
Fig. 4-13 不同Pulse 頻率的接面溫度變化…………………………45
Fig. 4-14 320K 時在不同 Pulse 頻率之接面溫度變化 (4P3N)..…46
Fig. 4-15 340K 時在不同 Pulse 頻率之接面溫度變化 (4P3N)…..46
Fig. 4-16 360K 時在不同Pulse 頻率之接面溫度變化 (4P3N)…..47
Fig. 4-17 380K 時在不同Pulse 頻率之接面溫度變化 (4P3N)…..47
Fig. 4-18 400K 時在不同Pulse 頻率之接面溫度變化 (4P3N)…..48
Fig. 4-19 420K 時在不同Pulse 頻率之接面溫度變化 (4P3N)…..48
Fig. 4-20 順相偏壓與環境溫度之關係…………………...…………49
Fig. 4-21 接面溫度與環境溫度之關係……...………………………50

表目錄
Tab. 4-1不同Pulse頻率之dVf/dT……………………………….....51
Tab. 4-2 漏電流、理想因子及串聯電阻 (300K)…………………….51
參考文獻
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