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研究生:張博揚
研究生(外文):Po Yang Chang
論文名稱:濕蝕刻圖案化藍寶石基板對氮化鎵發光二極體特性影響之研究
論文名稱(外文):Effect of wet-etched patterned sapphire substrate applied in nitride-based LEDs
指導教授:林瑞明林瑞明引用關係
指導教授(外文):R. M. Lin
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:89
中文關鍵詞:藍寶石基板濕蝕刻發光二極體圖案化氮化鎵
外文關鍵詞:sapphirewet etchingLEDpatternedGaN
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本論文成功的利用濕蝕刻方式在藍寶石基板上製造出不同的圖凹式、凸式圖形,並且分析具有不同蝕刻圖案之藍寶石基板對於發光二極體特性之影響。
凸的平台、凸的尖頭以及凹的圓形在經由黃光製成且在適當的蝕刻溫度以及蝕刻時間下,由於濕蝕刻反應本身不具方向性,因此濕式蝕刻過程為等向性蝕刻,可以發現蝕刻後的圖形具有C-plane > R-plane > M-plane > A-plane的特性。蝕刻後圖形會依照藍寶石的自然晶格面產生三個R-plane相互連接成金字塔圖形。
在發光二極體光電特性方面,成長在凹式圓形、凸式尖頭以及凸式平台圖案化基板上的發光二極體與傳統平面基板發光二極體比較之下,在20 mA操作電流下,發光強度增加了48%、64%與105%,證明了圖案化藍寶石基板可以增強發光二極體的出光效率。元件電特性方面,在-5V傳統平面發光二極體、凸式平台、凸式尖頭以及凹式圓形漏電流分別為0.444 nA、0.131 nA、0.127 nA以及0.0146 nA,可知元件改善後可以減少漏電產生以及出光效率。
In this research, we successfully prepared PSSs having three types of surface morphology, a pyramidal patterned sapphire substrate, a flat-top patterned sapphire substrate and patterned sapphire substrate, by wet etching method. The influence of PSSs on electrical and optical properties of LEDs were verified by utilizing different measurements.
The flat-top patterned sapphire substrate, pyramidal patterned sapphire substrate and patterned sapphire substrate can be produced by wet etching with suitable processing time and temperature. It is because of the different facet etching ratio: C-plane > R-plane > M-plane and then form the different type PSS by modifying etched process.
According to electroluminescence and current-voltage measurement, the enhanced optical gain of flat-top PSS, pyramidal PSS and PSS were 105%, 64%, 48%, respectively, comparing to conventional LED at forward current of 20 mA. And the leakage current of conventional LED, pyramidal, flat-top and PSS LEDs were 0.444 nA 0.131 nA, 0.127 nA, and 0.0146 nA, respectively, under bias of -5V. In this research, we proved that with PSSs, dislocation within device could be dramatically reduced and also external quantum efficiency could be raised. Thus LEDs could have better performance.
指導教授推薦書i
口試委員會審定書ii
著作授權書iii
電子授權書iv
誌謝v
中文摘要viii
英文摘要ix
目錄x
圖目錄xii
表目錄xv
第一章導論1
1.1前言1
1.2實驗動機與目的2
第二章理論與文獻回顧5
2.1LED基本原理5
2.2藍寶石基板與氮化鎵磊晶薄膜結構性質概述7
2.3乾蝕刻原理及技術10
2.4藍寶石基板濕蝕刻技術原理與回顧12
第三章製作與流程22
3.1漿輔助化學氣相沈積法成長SiO2薄膜22
3.2實驗藥品及材料23
3.3濕式蝕刻圖案化藍寶石基板製作流程24
3.3.1濕式蝕刻圖案化之凹式藍寶石基板25
3.3.2濕式蝕刻圖案化之凸式藍寶石基板28
3.4檢測方法與量測儀器29
3.4.1光學顯微鏡(OM)29
3.4.2掃描式電子顯微鏡(SEM)30
3.4.3原子力顯微鏡(AFM)31
第四章濕蝕刻圖案化藍寶石基板對氮化鎵發光二極體實驗結果與光電性討論41
4.1前言41
4.2不同圖案化藍寶石濕式蝕刻特性探討42
4.2.1濕式蝕刻凹式圓形圖案藍寶石基板42
4.2.2濕式蝕刻凸式平台藍寶石基板42
4.2.3濕式蝕刻凸式尖頭圖案藍寶石基板44
4.3使用不同圖案化基板的發光二極體電特性比較46
4.4使用不同圖案化基板的發光二極體發光強度比較46
第五章結論與未來展望68
參考文獻70

圖目錄

圖1-1氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)之能隙及晶格常
數對應關係圖4
圖2-1Ⅲ族氮化物之能隙對應到晶格常數的關係圖15
圖2-2藍寶石晶格結構示意圖16
圖2-3(A)為蝕刻前、(B)為乾式蝕刻、(C)為濕式蝕19
圖2-4物理性蝕刻及化學性蝕刻示意圖20
圖2-5濕式蝕刻過程示意圖21
圖3-1PECVD反應機制流程圖32
圖3-2實驗流程圖33
圖3-3濕式蝕刻圖案化藍寶石基板實驗裝置架構圖34
圖3-4濕式蝕刻圖案化藍寶石基板製作流程圖35
圖3-5濕式蝕刻凸圖案化藍寶石基板製作流程圖36
圖3-6濕式蝕刻尖圖案化藍寶石基板製作流程37
圖3-7光學顯微鏡及觀測螢幕示意圖38
圖3-8掃描式電子顯微鏡示意圖(HITACHI型號S-3000N)39
圖3-9原子力顯微鏡(型號Picole5100)40
圖4-1300℃蝕刻凹式圓形10分鐘的SEM圖(a)俯視圖(b)單顆放大(c)剖面圖48
圖4-2300℃凹式圓形圖案10分鐘的AFM圖(a)2D量測結果(b)3D量測結果49
圖4-3300℃蝕刻凹型圓形圖案藍寶石基板之(a)10分鐘單一放大圖及(b)側向蝕刻示意圖50
圖4-4300℃蝕刻凸圓型圖案10分鐘的SEM圖(a)正面俯視圖(b)側面切面51
圖4-5300℃蝕刻凸式平台(a)10分鐘SEM圖以及(b)二維晶格面的示意圖52
圖4-6300℃蝕刻凸的圓形圖案3分鐘的SEM圖(a)正面俯視圖(b)單顆放大53
圖4-7300℃蝕刻凸式平台圖案3分鐘的AFM圖(a)2D量測結果(b)3D量測結果54
圖4-8各種圖案磊晶後SEM圖(a)凹式圓形(b)凸式平台(c)凸式尖頭55
圖4-9藍寶石基板濕蝕刻示意圖56
圖4-10300℃蝕刻30分鐘後SEM圖(a)正面俯視(b)剖面圖57
圖4-11二次蝕刻3分鐘的SEM圖(a)45°俯視圖(b)單顆放大(c)剖面圖58
圖4-12二次蝕刻凸的圓形圖案3分鐘的AFM圖(a)2D量測結果(b)3D量測結果59
圖4-13藍寶石凸式尖頭蝕刻示意圖60
圖4-14凸式平台蝕刻3分鐘SEM圖(a)45°俯視圖(b)正面俯視圖61
圖4-15二次蝕刻SEM圖(a)正面俯視圖(b)45°俯視圖62
圖4-16不同蝕刻圖案化圖形正/逆向偏壓電特性順向偏壓(b)逆向偏壓63
圖4-17為凸式蝕刻圖形的發光二極體之發光影像圖64
圖4-18使用不同藍寶石基板成長之發光二極體電激發光特性比較圖65
圖4-19為光強度對不同圖案化圖形比較圖66


表目錄

表2-1各種LED之基板比較17
表2-2藍寶石基本物理性質表18
表4-1不同蝕刻圖案化圖形元件電特性67
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