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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪逸修
研究生(外文):I-hsiu Hung
論文名稱:利用銀/鋁反射式電極增加氮化鎵系列藍光發光二極體光輸出功率之研究
論文名稱(外文):Enhancement in Output Power of Blue GaN-based Light-emitting Diodes with Ag/Al Reflector under Electrode Pads
指導教授:許進恭
指導教授(外文):J-k Sheu
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:光電科學與工程研究所
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
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:銀/鋁反射式電極增加藍光發光二極體光輸出功率
外文關鍵詞:Enhancement in Output Power of GaN-based LEDLEDAg/Al reflector pads
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本論文主要是針對具有金屬反射鏡之電極應用於藍光發光二極體之製做與研究。首先我們測試不同金屬在不同厚度之穿透率與反射率,取得較佳之反射率條件後,將其結果應用至310μm見方之藍光發光二極體元件上,再於n型氮化鎵或氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)接觸層與鉻/金電極間鍍上鋁或銀做為金屬反射鏡,接著與傳統僅具有鉻/金電極與上述之元件做各項特性之比較,此外,本論文並對n型氮化鎵上有無ITO接觸層之元件做比較。就元件大小為310μm見方之發光二極體而言,n型氮化鎵上無ITO光輸出功率有些許提升之趨勢,但由於電性不佳故不採用其結構,而在金屬反射式電極方面,具有銀做為反射鏡材料在電性上優於鋁,製做為發光二極體後增加之光輸出功率也大於後者。將其結果應用在具有不同大小之發光二極體元件上反覆印證也獲得同樣的結論。最後並將此一結構應用在市面上已廣為被接受的圖案化藍寶石(Patterned Sapphire Substrate,PSS)基材發光二極體元件上,觀察兩種結構是否可相輔相成,得到同樣之光輸出功率增加趨勢。綜觀本研究成果可得知介於氮化鎵接觸層與鉻/金電極間金屬反射鏡確實可有效提升發光二極體之光輸出功率。
In this study, we demonstrate a GaN-based light-emitting diode (LED) with non-alloyed metal contacts onto the n+-GaN surface and transparent contact layer (indium tin oxide) to serve as the n-type electrode (cathode) and the p-type electrode pad (anode) respectively. Comparing with the conventional LEDs, which the electrode pads and/or Ohmic contacts form through conventional Cr/Au metal contacts, the non-alloyed metal contacts (Ag/Cr/Au or Al/Cr/Au) used in the present experimental blue LEDs also play the role of reflector to prevent the emitted light from absorption by the opaque electrode pads with low reflectivity (Cr/Au). With an injection current of 20mA, the enhancement in the light output power has approximately a 15 percent magnitude compared to the GaN-based LEDs without Ag or Al reflectors under the Cr/Au electrode pads. Before we observed the above-mentioned results, related fundamental studies, such as the transmittance and the reflection for Al, Ag and Cr metal film deposited on GaN epitaxial layers with different thickness, are also systemically characterized. To further realize whether the above conclusion can meet different device geometries or not, the same experiment are also perfored to GaN-based LEDs with different sizes and electrode arrangement.Since the key point of this study is based on the enhancement of light extraction by high reflective metal/semiconductor interfaces ( i.e., Ag/GaN, Ag/ITO, Al/GaN and Al/ITO interfaces), the inherent GaN/sapphire interface in GaN/sapphire-based LEDs also plays an important role for light extraction. Therefore, in this study, LEDs with and without patterned sapphire substrate are also prepared to contain the above-mentioned reflective pads. This experiment results make us know that the enhancement of output power in GaN-based LEDs with high-reflectivity metal reflector under the Cr/Au electrode pads is repeatable and independent of the device structure, size and geometry.
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
致謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 背景 1
1.2 研究目的與動機 2
參考文獻 5
第二章 理論基礎及實驗量測系統 6
2.1理論基礎 6
2.1.1 發光二極體(Light Emitting Diodes;LEDs)原理 6
2.1.2 感應耦合電漿離子蝕刻(ICP)原理 7
2.1.3 蒸鍍原理 7
2.1.4 傳輸線模型原理(Transmission line model,TLM)理論 8
2.1.5 發光二極體光取出原理 9
2.1.6 串聯電阻(series resistance) 10
2.2 實驗量測系統 10
2.2.1 穿透率與反射率量測 10
2.2.2 電流-電壓量測系統 11
2.2.3 發光二極體光強度(EL)量測系統 11
2.2.4 發光二極體光輸出功率(output power)量測系統 11
參考文獻 18
第三章 實驗方法與製程步驟 19
3.1 金屬反射鏡製程 19
3.1.1 樣品清洗 19
3.1.2蒸鍍製作 19
3.2 發光二極體高台蝕刻(MESA ETCHING)製程 20
3.2.1 樣品清洗 20
3.2.2 乾蝕刻 20
3.2.3 去光阻 21
3.3 發光二極體氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜(TCL)製程 21
3.3.1 樣品清洗 21
3.3.2 蒸鍍製作 21
3.3.3 樣品清洗 22
3.3.4 濕蝕刻(wet etching) 22
3.3.5 去光阻 23
3.4 發光二極體金屬電極製程 23
3.4.1 樣品清洗 23
3.4.2 蒸鍍製程 23
3.4.3 剝離(lift-off)製程 23
第四章 數據分析與結果討論 27
4.1 金屬穿透率與反射率數據討論 27
4.2 電極與氮化鎵歐姆接觸(OHMIC CONTACT)之特性研究 28
4.3 金屬反射式電極與N型氮化鎵上具有ITO結構應用於發光二極體之特性研究 29
4.3.1 發光二極體(LED)元件電性分析 29
4.3.2 發光二極體(LEDs)元件光性分析 29
4.4 金屬反射式電極與N型圖案化藍寶石基材(PATTERNED SAPPHIRE SUBSTRATE,PSS)應用於發光二極體之特性研究 31
4.4.1 圖案化藍寶石基材(Patterned sapphire substrate,PSS)發光二極體元件(LEDs)電性分析 31
4.4.2 圖案化藍寶石基材(Patterned sapphire substrate)發光二極體元件(LEDs)光性分析 32
參考文獻 62
第五章 結論與未來展望 63

表目錄
表1-1一般常見金屬的功函數 4
表3-1 不同結構發光二極體元件完成圖 26
表4-1 圖4-1~圖4-5入射光示意圖 34
表4-2 不同金屬不同結構TLM之特徵接觸電阻值 43
表4-3 LEDs在20mA下不同金屬反射鏡之導通電壓 45
表4-4 LEDs串聯電阻(series resistance) 45
表4-5 不同金屬不同結構之光輸出功率 50
表4-6 不同金屬不同結構之外部量子效應 50
表4-7 與傳統型LEDs比較其光輸出功率增加之百分比 51
表4-8 LEDs於20mA下之功率轉換效率 51
表4-9 μm2 LEDs順向偏壓 56
表4-10 μm2 LEDs順向偏壓 56
表4-11 不同金屬電極反射鏡於 μm2/ μm2 Normal/PSS 之LEDs光輸出功率 59
表4-12 金屬反射式電極對於LEDs光輸出功率增加百分比 59
表4-13 PSS v.s. Normal 對於LEDs之光輸出功率增加百分比 60
表4-14 具有PSS與Ag/Cr/Au v.s. Normal與Cr/Au之LEDs光輸出功率增加百分比 60
表4-15 不同大小不同結構LEDs之功率轉換效率 61

圖目錄
圖2-1 III-V族及II-IV族元素之能隙(Bandgap)與晶格常數(Lattice Constant)之關係圖、圖2-2感應耦合式電漿蝕刻系統示意圖 13
圖2-3 TLM製作樣品的示意圖 14
圖2-4 電阻值對應間距L 之曲線圖[1] 14
圖2-5 假設V>Vth斜率Rs之電流與電壓關係圖[1] 15
圖2-6 根據圖2-順向偏壓計算之方程式圖[1] 15
圖2-7 反射率量測工作原理示意圖 16
圖2-8 光強度(EL)量測系統示意圖 16
圖2-9 積分球之工作原理示意圖 17
圖4-1光由藍寶石基板面入射之不同金屬穿透率關係圖 35
圖4-2光由金屬面入射之不同金屬穿透率關係圖 35
圖4-3不同厚度金屬之反射率關係圖 36
圖4-4光由藍寶石基板面入射之不同金屬之反射率關係圖 36
圖4-5光由金屬面入射之不同金屬之反射率關係圖 37
圖4-6 鉻/金蒸鍍於氧化銦錫在n型氮化鎵量測不同線寬下之電流電壓特性圖 38
圖4-7 鉻/金蒸鍍於n型氮化鎵量測不同線寬下之電流電壓特性圖 38
圖4-8 鉻/金蒸鍍於氧化銦錫在p型氮化鎵上量測不同線寬之電流電壓特性圖 39
圖4-9 鋁/鉻/金蒸鍍於氧化銦錫在n型氮化鎵上量測不同線寬下之電流電壓特性圖 39
圖4-10 鋁/鉻/金蒸鍍在n型氮化鎵量測不同線寬下之電流電壓特性圖 40
圖4-11 鋁/鉻/金蒸鍍於氧化銦錫在p型氮化鎵上量測不同線寬下之電流電壓特性圖 40
圖4-12 銀/鉻/金蒸鍍於氧化銦錫在n型氮化鎵量測不同線寬下之電流電壓特性圖 41
圖4-13 銀/鉻/金蒸鍍在n型氮化鎵量測不同線寬下之電流電壓特性圖 41
圖4-14 銀/鉻/金蒸鍍於氧化銦錫在p型氮化鎵上量測不同線寬下之電流電壓特性圖 42
圖4-15 不同金屬反射鏡之順向電壓與電流關係圖 44
圖4-16 不同金屬反射鏡之逆向偏壓與電流關係圖 44
圖4-17 傳統型LEDs在不同電流注入下之電激發光譜圖 46
圖4-18 n型氮化鎵上有ITO之LEDs在不同電流注入下之電激發光譜圖 46
圖4-19 鋁為反射鏡之傳統型LEDs在不同電流注入下之電激發光譜圖 47
圖4-20 鋁為反射鏡且n型氮化鎵上有ITO之LEDs在不同電流注入下之電激發光譜圖 47
圖4-21 銀為反射鏡之傳統型LEDs在不同電流注入下之電激發光譜圖 48
圖4-22 鋁為反射鏡且n型氮化鎵上有ITO之LEDs在不同電流注入下之電激發光譜 48
圖4-23 n型氮化鎵上蒸鍍金屬反射鏡之光輸出功率與電流關係圖 49
圖4-24 ITO於n型氮化鎵上蒸鍍金屬反射鏡之光輸出功率與電流關係圖 49
圖4-25 模擬光由LEDs多重量子井出光後之路徑 52
圖4-26 模擬光由LEDs多重量子井出光後之路徑 52
圖4-27 不同電流下元件電流擴散圖 53
圖4-28 圖案化之藍寶石基材的藍光發光二極體示意圖 54
圖4-29 μm2 LEDs順向偏壓之電流與電壓關係圖 55
圖4-30 μm2 LEDs順向偏壓之電流與電壓關係圖 55
圖4-31 μm2 LEDs逆向偏壓之電流與電壓關係圖 57
圖4-32 μm2 LEDs逆向偏壓之電流與電壓關係圖 57
圖4-33 μm2 LEDs電流與光輸出功率關係圖 58
圖4-34 μm2 LEDs電流與光輸出功率關係圖 58
第一章
[1].S.Nakamura, M.Senoh, S.Nagahama, N.Iwasa, T.Yamada, T.Matsushita, H.Kiyoku, Y.Sugimoto, T.Kozaki, H.Umemoto, M.Sano, and K.Chocho, Appl.Phys.Lett.,72,p.2014,(1998)
[2].M.Razeghi, and A.Rogalski, J.Appl.Phys.,79,p. 7433,(1996)
[3].S.J.Pearton, J.C.Zolper, R.J.Shul, and F.Ren, J.Appl. Phys.,86,p1(1999)
[4]. S.Nakamura et al.Jpn.J.Appl.Phys.30,L1708(1991)
[5]. S.Nakamura et al.Jpn.J.Appl.Phys.30,L1708(1992)
[6].light-output and electrical performance of InGaN-based light-emitting diode by microroughening of the p-GaN surface,” J. Appl. Phys., vol. 93, p. 9383, 2003.
[9] http://www.cree.com/ftp/pub/CPR3CM.pdf, High Power Blue LED chips (SiC substrate) have a geometrically enhanced Epi-down design to maximize light extraction efficiency, and require only a single wire bond connection.
[10] 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. Götz, N. F. Gardner, R. S. Kern, and S. A. Stockman, “High-power AlGaInN flip-chip light-emitting diodes,” Appl. Phys.Lett., vol. 78, p. 3379, 2001.
[11] M. Koike, N. Koide, S. Asami, J. Umezaki, S. Nagai, S. Yamasaki, N. Shibata, H. Amano, and I. Akasaki, “InGaN/GaN multiple quantum wells green LEDs,” in Proc. SPIE International Society for OpticalEngineering, vol. 3002, pp. 36–39, 1997.
[12].呂彥興,’’氧化鋅鎵薄膜成長在氮化鎵發光二極體上之應用’’ ,國立成功大學光電與工程研究所,2007
[13].施敏,’’半導體元件物理與製作技術(第二版)’’,國立交通大學出版社
第二章
[14].史光國, ’’半導體發光二極體及固態照明’’ ,全華科技圖書股份有限公司(2006)
[15].彭立琪, ’’氧化鋅鋁參雜釔之透明導電薄膜材料特性與其應用在氮化鎵藍色發光二極體之研究’’ ,國立成功大學光電與工程研究所,2007
[16].呂彥興,’’氧化鋅鎵薄膜成長在氮化鎵發光二極體上之應用’’ ,國立成功大學光電與工程研究所,2007
[17]. E.Fred Schubert,”Light-Emitting Diodes”,Cambridge p.67 , second edition
[18].黃郁心,”成長於不同超晶格層上的氮化鎵/氮化銦鎵多重量子井之光學特性研究”國立成功大學電機工程學系,2007
第三章
[19] S.J. Chang , Y.C. Lin , Y.K. Su , C.S. Chang , T.C. Wen , S.C. Shei , J.C. Ke , C.W. Kuo , S.C. Chen , C.H. Liu ’’ Nitride-based LEDs fabricated on patterned sapphire substrates’’, Solid-State Electronics 47 (2003) 1539–1542
[20].蔣國軍,” 覆晶式藍光發光二極體製程技術之研究”, 國 立 中 央 大 學 電 機 工 程 研 究 所,1995
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