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研究生:黃茹屏
研究生(外文):Ju Ping Huang
論文名稱:薄膜型氮化銦鎵共振腔發光二極體之研製與特性研究
論文名稱(外文):Fabrication and characterization of thin-film InGaN resonant -cavity
指導教授:蔡家龍
指導教授(外文):C. L. Tsai
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:2009
畢業學年度:97
論文頁數:109
中文關鍵詞:共振腔發光二極體雷射剝離技術
外文關鍵詞:RCLEDLLO
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因為sapphire 和氮化鎵之間晶格常數不匹配,使磊晶後的氮化鎵
薄膜錯位缺陷(threading dislocation)密度非常高和內部產生極大的壓
電場效應即量子侷限史塔克效應(QCSE),因此會使得其內部量子效
率受限制;近年來雖然可以使用先進的磊晶技術來改善此問題,但其
光萃取效率仍非常的低,主要原因為氮化鎵與空氣之間的折射率分別
為2.5 與1,因為之間的折射率差太大,使得大部分光子到達表面後因
為全反射的關係而從表面反射回來,隨後漸漸被材料所吸收,因此,
使得主動層射出之光子大部分沒辦法從材料內部脫離至空氣中,導致
其光萃取效率非常之低。
本研究中,利用248nm 波長之KrF 準分子雷射將LED 之藍寶石
基板剝離來解決藍寶石基板散熱不佳的問題,使其變為氮化鎵薄膜型
的LED。隨後在底部鍍上銀(Ag)和頂部鍍上三對λ/4 厚的Ta2O5/SiO2
布拉格反射鏡(DBR)以形成一個Fabry-Perot cavity。和正常LED 元件
相比,共振腔具有較窄的頻譜線寬、高的光取出效能、較純的頻譜等
優點。此外,薄膜型LED 可以在較大電流操作下並且有效提高光輸
出強度。
The internal quantum efficiency of the nitride-based LEDs is limited by the epitaxial layer quality due to the presence of a high threading dislocation density and the strong piezoelectric field effect caused by the
lattice mismatch between GaN and InGaN layers. In recent year, much effort has focused on the improvement of the material quality by using an advanced epitaxial growth technique; however, the light extraction efficiency of the LEDs is still low. The reason for that is most of the
photon experience total internal reflection as light emitted from the GaN layer to air and gradually be absorbed within the LEDs. In this study, we shall fabricate the InGaN-based resonant-cavity light-emitting diodes (RCLEDs) for improving the light extraction efficiency. In order to suppress the thermal effect of the LEDs, the laser
lift-off (LLO) process will be used to strip the sapphire substrate from the GaN-based epilayers. Further, a high-reflectivity Ag layer along with a 3-pair λ/4-thick Ta2O5/SiO2 distributed Bragg reflector were performed
onto the LEDs to form a Fabry-Perot cavity. Experimentally, the fabricated devices were characterized by light output power, external quantum efficiency, emission spectrum, and angular-resolved intensity distribution. As a result, the thin-film RCLEDs exhibit an enhanced light output power, a narrow spectrum linewidth, and an improved thermal dissipation as compared to those of the normal LEDs with the sapphire
substrate.
致謝............................................i
中文摘要........................................ii
英文摘要........................................iii
目錄............................................iv
圖目錄..........................................vii
第一章 序論…………………………………………………………1
1.1 LED 歷史發展……………………… ………………………… 1
1.2 研究動機與目的…………………………………………………3
第二章 文獻回顧 …………………………………………………… 7
2.1 發光二極體之發光效率…………………………………………7
2.1.1 內部量子效率………………………………………………7
2.1.2 萃取效率……………………………………………………8
2.1.3 外部量效率…………………………………………………8
2.2 全反射……………………………………………………………10
2.3 內部量子效率……………………………………………………11
2.4 萃取效率…………………………………………………………12
2.4.1 改變LED 的幾何形狀……………………………………12
2.4.2 製作有織狀結構表面(textured surface)或表面粗糙化(rough
surface) …………………………………………………………13
2.4.3 光子晶體(photonic crystal)……………………………… 14
2.4.4 覆晶式LED( flip-chip LED) ………………………………14
2.5 共振腔之工作理…………………………………………………15
2.5.1 Fabry-Perot resonators…………………………………… 15
2.5.2 RCLED 之設計……………………………………………16
2.5.3 共振腔的品質因素Q 與Finesse 參數……………………17
第三章 實驗方法與步驟…………………………………………… 35
3.1 試片來源與準備…………………………………………………35
3.2 LED 製作之流程……………………………………………… 36
3.2.1 晶圓(wafer)之清洗………………………………………… 36
3.2.2 鍍上2500Å 透明導電層……………………………………36
3.2.3 鍍上P 型接觸電極…………………………………………36
3.2.4 保護發光區…………………………………………………37
3.2.5 濕蝕刻(Wet etching)………………………………………..37
3.2.6 乾蝕刻(Dry-etching)………………………………………..37
3.2.7 鍍上n 型接觸電極…………………………………………37
3.3 環狀傳輸線原理…………………………………………………38
3.4 二次轉移Wafer bonding 技術流程………………………………39
3.5 雷射剝離技術(Laser lift off)……………………………………..41
3.6 雷射剝離之最佳參數…………………………………………….42
3.7 布拉格反射鏡原理………………………………………………44
3.7.1 材料之選擇…………………………………………………45
3.8.3 電流-電壓儀器裝置(I-V).......................47
3.8.4 電流-輸出功率儀器裝置(L-I)....................47
3.8.5 光激發光儀器裝置(EL)..........................48
3.8.6 遠場角儀器裝置................................48
四 結果與討論.......................................76
4.1 布拉格反射鏡的鍍製...............................76
4.2 電流電壓特性分析.................................76
4.3 光輸出功率與外部量子效率分析.......................78
4.4 電激發光量測.....................................79
4.5 遠場角量測分析....................................81
五.結論..............................................92
參考文獻.............................................94
圖目錄
Fig.1-1LED 歷史發展..................................5
Fig.1-2 不同材料LED 對應的發光波……………………………… 5
Fig.1-3 (a)RGB 三原色可以混合出白光(b)白光示意圖.......6
Fig.1-4 AlN、GaN、InN 可調配之間的比例來達到所要發光波段.6
Fig.2-1 光進入不同介質隨入射角度變化之穿透反射示意圖………19
Fig.2-2 光能逃離半導體材料之區域範圍……………………………19
Fig.2-3 烏采(Wurtzite)結構氮化鎵之Ga-face 示意圖……………20
Fig.2-4 氮化銦鎵/氮化鎵量子井能帶示意圖(a)沒有壓電場作用下(b)
受到壓電悵作用下……………………………………………21
Fig.2-5 基板與磊晶層之間晶格不匹配產生之缺陷…………………22
Fig.2-6 LED 側邊製作成圓形狀…………………………………… 23
Fig.2-7 LED 製作成倒金字塔(truncated- inverted-pyramid,TIP)….23
Fig.2-8 表面粗糙化(a)表面未粗糙化(b)表面稍作粗糙化(c)表面重粗糙
化……………………………………………………………………24
Fig.2-9(a)表面製作成六角錐柱(b)表面粗化與未粗化之光譜圖...25
Fig.2-10(a)CV-LED(沒有做任何表面粗糙化)(b)PR-LED(P-GaN 表面
粗糙化(c)DR-LED(上下表面皆粗糙化).......................26
Fig.2-11 三種元件其發光強度vs 順向注入電流(a)頂部量測(b)背面量測....................................................26
Fig.2-12(a)表面粗糙示意圖(b)不同時間蝕刻下其功率..........27
Fig.2-13(a) 薄膜型光子晶體LED(b)薄膜型LED光子晶體與一般LED
之EL..................................................28
Fig.2-14(a) Flip-Chip LED 結合改變sapphire 基板外部幾何形狀…29
Fig.2-15 Fabry-Perot cavity...........................30
Fig.2-16(a)建設性與破壞性干涉(b)光在共振腔內之穿透.........31
Fig.2-17 不同共振腔長度所允許之模態數.....................32
Fig.2-18 兩面反射鏡選擇其反射率不相等.....................32
Fig.2-19 各金屬在不同波段下之反射率.......................33
Fig.2-20 共振腔所允許之模態其F、ΔV、VFSR 之間關係..........34
Fig.3-1 本實驗三種元件之示意圖............................49
Fig.3-2 LED 磊晶結構....................................50
Fig.3-3 LED 元件製作流程p51~p54…………………………………51
Fig.3-4 點亮之光二極體………………………………………………55
Fig.3-5 電流由金屬流入半導體之示意圖……………………………56
Fig.3-6 本實驗之光罩圖………………………………………………56
Fig.3-7 四圓之ln(R/r) vs total resistance 曲線………………………56
Fig.3-8 二次轉移Wafer bonding 技術流程p57~p59...........57
Fig.3-9 RCLED 之共振腔長度..............................60
Fig.3-10 脈衝雷射能量與能帶間的示意圖…………………………61
Fig.3-11(a)雷射剝離前(b)雷射剝離後………………………………62
Fig.3-12 雷射beam size 大小……………………………………… 63
Fig.3-13(a)剝離前(b)剝離後(去鎵原子之前) (c)剝離後(去鎵原子之
後)…………………………………………………………………64
Fig.3-14 power density 剝 離 狀況…………………65
Fig.3-15(a)不同能量下之電激發光 (b)不同能量下其波長紅…… 66
Fig.3-16 AFM:雷射剝離後去鎵原子其表面粗糙度為7.491nm……67
Fig.3-17 金屬銀在不同波長下其反射率……………………………68
Fig.3-18 XRD 示意圖………………………………………………..69
Fig.3-19(a)XRD GaN 磊晶片(002)面(b)模擬……………………….70
Fig.3-20 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)………….71
Fig.3-21 電流-電壓儀器裝置……………………………………… 72
Fig.3-22 電流-輸出功率儀器裝置………………………………… 73
Fig.3-23 電激發光儀器裝置…………………………………………74
Fig.3-24 遠場角儀器裝置……………………………………………75
Fig.4-1 2 pairs 五氧化二鉭(Ta2O5)/二氧化矽(SiO2) DBRs 其反射
率與SEM Image…………………………………………..83
Fig.4-2 3pairs 五氧化二鉭(Ta2O5)/二氧化矽(SiO2) DBR 其反射率與SEM Image…………………………………………..84
Fig.4-3 4 pairs 五氧化二鉭(Ta2O5)/二氧化矽(SiO2) DBRs 其反射
率與SEM Image…………………………………………..85
Fig.4-4 三種元件之電壓-電流曲線…………………………………86
Fig.4-5 三種元件之電流-輸出功率曲線……………………………87
Fig.4-6 三種元件之外部量子效率………………………………… 88
Fig.4-7 Normal LED 在不同電流下之電激發光與紅移速率………89
Fig.4-8 Thin film RCLED 在不同電流下之電激發光與紅移速率…90
Fig.4-9 Normal LED 與Thin film RCLED 其最大發散角分別為168 度
與158 度……………………………………………………………91
【1】 Yongjian Sun, Tongjun Yu and Zhizhong Chen, “Properties of GaN-based light-emitting diode thin film chips fabricated by laser lift-off and transferred to Cu”,Semicond.Sci.Technol. 23 (2008)
【2】E.F.Schubert,“Light emitting diode”,2003
【3】 M. R. Krames, M. Ochiai-Holcomb, and G. E. Ho¨ fler, “High-power truncated-inverted-pyramid (AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP light- emitting diodes exhibiting >50% external quantum efficiency”,Applied Physics Letters,Vol.75,No.16,pp.2365-2367(1999)
【4】 Wei Chih Peng and Yew Chung Sermon Wu,“Improved
luminance intensity of InGaN–GaN light-emitting diode
by roughening both the p-GaN surface and the undoped -GaN
surface”,Applied Physics Letters,89,041116 (2006)
【5】 T. Fujii , Y. Gao , R. Sharma , E. L. Hu , S. P. DenBaars , and S. Nakamura,“ Increase in the extraction efficiency of GaN -based light-emitting diodes via surface roughening”,Applied Physics Letters,Vol.84,No.6,pp855-857(2004)
【6】 C. H. Lin, H. H. Yen and C. F. Lai“Enhanced Vertical Extraction Efficiency From a Thin-Film InGaN–GaN Light - Emitting Diode Using a 2 - D Photonic Crystal and an Omnidirectional Reflector”,IEEE Photonics Technology Letters, Vol.20,No.10,(2008)
【7】C E Lee, Y C Lee, H C Kuo, M R Tsai, T C Lu and S Cwang
“High brightness GaN-based flip-chip light-emitting diodes by adopting geometric sapphire shaping structure”, Semicond. Sci. Technol. 23 025015 (5pp) (2008)
【8】李正中2006,《薄膜光學與鍍膜技術》pp145
【9】Tetsuzo Ueda, Masahiro Ishida and Masaaki Yuri“Laser lift-off of very thin AlGaN film from sapphire using selective decomposition of GaN interlayer”Applied surface science,Vol.216,pp. 512–518(2003)
【10】楊於錚,〈準分子雷射剝離技術應用於具鍍鎳金屬基板高功率
垂直結構GaN基LEDs之研究〉
【11】朱振甫,〈利用雷射剝離技術製作氮化鎵發光元件之研究〉
【12】S.Q. Zhou, M.F. Wu and L.N. Hou,“An approach to determine the chemical composition in InGaN/GaN multiple quantum wells”,Journal of Crystal Growth 263pp.35–39(2004)
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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