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研究生:邱明正
研究生(外文):Ming-Jheng Ciou
論文名稱:壓印技術應用於氮化鎵發光二極體之研究
論文名稱(外文):A Study of Imprint Lithography Applied to GaN-based Light-Emitting Diode
指導教授:李有璋黃健生黃健生引用關係
指導教授(外文):Yeeu-Chang LeeJean-Shen Huang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:發光二極體熱壓印
外文關鍵詞:light emitting diodehot embossing technique
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本篇論文最主要的目的是將旋塗玻璃 (Spin on Glass, SOG)的微米/次微米結構利用熱壓印方法製作於打線封裝的發光二極體晶片(Light Emitting Diode, LED)表面,藉此來提升發光二極體之光萃取效率及解決電特性不佳的問題,並同時探討壓印SOG微結構的成型方式及各壓印參數(脫模、壓印力、壓印溫度)對壓印製程之影響。在壓印SOG的方式上,可以分為兩種,其一為高壓常溫法,其二為低壓高溫法,兩種方式均各有利弊,高壓常溫法容易將晶片壓碎;低壓高溫法所需製程時間長且需解決升溫後的熱效應問題。除此之外,SOG 經過高溫處理之後,特性近似二氧化矽(Silicon Dioxide, SiO2),具備化學及物理的穩定性且機械性質佳,可為發光二極體晶片提供一定程度的封裝保護,且SOG表面能較其他常使用之壓印材料低,搭配脫模劑(Polytetrafluoroethylene, PTFE)和模仁本身之特性,可以有效壓印出完整結構。經本論文討探後,利用壓印方式所製作之發光二極體對於兼顧電性與光性是可以達成的。在提升光萃取效率上,因為SOG之折射率(n=1.5)介於空氣(n=1)與氮化鎵(n=2.4)之間,漸變式折射率對於提升晶片的光萃取效率有直接的影響,而依據壓印所製作的微米/次微米各式結構,可有效的提升LED晶片的光萃取效率,而製程之後發光二極體在電流20 mA的順向電壓依舊維持3.3 V,足可證明電特性並未因此而受到影響。
In this study, a hot embossing technique has been used to make micron/sub-micron structures on wire bonding light emitting diode (LED) to improve light extraction efficiency and also avoid the damage of electrical performance. The imprinting material is spin on glass (SOG). The characteristics of SOG are similar to SiO2 after annealing. It has good chemical and physical stabilities and mechanical strength compared to conventional imprinting polymers. There are two types to imprint SOG, one is the high-pressure with low-temperature and the other is low-pressure with high-temperature way. The high-pressure way will induce the chip crack easily; and the low-pressure one will yield a better imprinting structure but need a longer process time. The refractive index of SOG is ~1.5 which is between GaN (~2.4) and air, so it will reduce the reflection from LED. Meanwhile, the light extraction efficiency will also increase due to the micron/sub-micron structures on LED to ruin the total internal reflection. The forward voltage of our LED after embossing processing can still be maintained at 3.3 V under 20 mA injection.
目錄
中文摘要 ………………………………………………………………… I
英文摘要 ………………………………………………………………… II
誌謝 ……………………………………………………………………… III
目錄 ……………………………………………………………………… V
圖目錄 …………………………………………………………………… VII
表目錄 …………………………………………………………………… XI
第一章 序論 …………………………………………………………… 1
1-1 發光二極體之發展 ………………………………………… 1
1-2 發光二極體之光特性原理 ………………………………… 2
1-2.1光萃取原理 ……………………………………………. 3
1-2.2菲涅爾定律 ……………………………………………. 7
1-3 發光二極體之效率提升 …………………………………… 7
1-3.1改變外在之幾何結構 ………………………………… 8
1-3.2 圖樣化藍寶石基板 …………………………………. 8
1-3.3表面粗化 ……………………………………………… 9
1-3.4週期性微結構製程 …………………………………… 10
1-4 奈米轉印成型技術 ………………………………………… 16
1-5 研究動機與論文簡介 ……………………………………… 24
第二章 實驗流程與設備 ……………………………………………… 28
2-1 微米/次微米轉印技術之模仁製作 ………………………… 28
2-2 氮化鎵晶片壓印製程 ……………………………………… 34
2-3 發光二極體晶粒製程與透明導電膜表面壓印技術 ……… 36
2-4 封裝與光電特性量測 ……………………………………… 42
2-5 製程設備簡介 ……………………………………………… 43
第三章 量測結果與分析 ……………………………………………… 47
3-1 壓印實驗分析 ……………………………………………… 47
3-2 壓印技術應用於發光二極體 ……………………………… 55
第四章 結論與未來展望 ……………………………………………… 65
4-1 結論 ………………………………………………………… 65
4-2 未來展望 …………………………………………………… 66
參考文獻 ………………………………………………………………… 69
附錄 ……………………………………………………………………… 72
個人簡介 ………………………………………………………………… 74
圖目錄
圖 1-1 產業界之LED應用 …………………………………………... 2
圖 1-2 The escape cone 示意圖 ………………………………………… 6
圖 1-3 The escape cone 積分元素 ……………………………………… 6
圖 1-4 The escape cone 面積 …………………………………………… 7
圖 1-5 M. R. Krames 等人製作的發光二極體晶片朔形 ……………… 11
圖 1-6 C. F. Lin 等人製作的發光二極體晶片塑形之SEM 圖 ……... 12
圖 1-7 藍寶石基板上之圓錐圖樣 …………………………………… 12
圖 1-8 圖樣化藍寶石基板之光萃取示意圖 ………………………… 13
圖 1-9 C. Huh等人在p-GaN上製作的微米粗糙結構 ……………… 13
圖 1-10 表面粗化之結構……………………………………………… 13
圖 1-11 K. Kasahara 等人利用p-GaN所製作之微結構 ……………... 14
圖 1-12 S. J. Chang 等人於發光二極體上所作之結構 ……………… 14
圖 1-13 S. J. Chang 等人製作之發光二極體未造成電特性破壞之I-V曲線與其光特性之L-I 曲線 ………………………………………………... 15
圖 1-14 L. J. Guo等人利用PMMA所製作之微結構 ……………... 15
圖 1-15 L. J. Guo等人利用SiO2所製作之微結構 ………………….. 15
圖 1-16熱壓成形式奈米轉印 ………………………………………... 22
圖 1-17紫外光硬化奈米轉印 ………………………………………… 22
圖 1-18可撓性奈米轉印 ……………………………………………… 23
圖 1-19雷射輔助直接轉印技術 ……………………………………… 23
圖 1-20 H. W. Huang 等人製作之發光二極體電特性之I-V 曲線圖 … 26
圖 1-21 H. W. Huang 等人製作之發光二極體光特性之L-I 曲線圖 … 27
圖 1-22傳統黃光微影製作之二元微結構 ……………………………... 27
圖 1-23(a)製作結構破壞全反射示意圖(b)漸變式折射示意圖 ………... 27
圖 2-1 乾式蝕刻模仁製作流程圖 ……………………………………... 32
圖 2-2 濕式蝕刻模仁製作流程圖 ……………………………………... 32
圖 2-3 壓印過程溫度、壓力對時間之曲線圖 ………………………… 35
圖 2-4 發光二極體基板結構圖 ………………………………………... 40
圖 2-5 發光二極體製作流程圖 ………………………………………... 40
圖 2-6 利用光學顯微鏡觀察之發光二極體蝕刻平台 ………………... 41
圖 2-7 利用光學顯微鏡觀察蒸鍍電極後之發光二極體 ……………... 41
圖 2-8 發光二極體晶粒與壓印製程後結構圖 ………………………... 41
圖 2-9 HP4156C 量測系統示意圖 ……………………………………... 43
圖 2-10光罩對準曝光機 ……………………………………………… 44
圖 2-11感應耦合電漿離子蝕機 ……………………………………… 45
圖 2-12晶片鍵合系統 ………………………………………………… 45
圖 2-13快速退火爐 …………………………………………………… 45
圖 2-14高密度電漿蝕刻系統 ………………………………………… 46
圖 3-1 壓印實驗示意圖………………………………………………... 49
圖 3-2 壓印力1000N SEM示意圖 …………………………………... 49
圖 3-3 壓印力1700N SEM示意圖 …………………………………... 49
圖 3-4壓印溫度80℃ SEM示意圖 …………………………………… 50
圖 3-5壓印溫度130℃ SEM示意圖 ………………………………… 50
圖 3-6壓印溫度170℃ SEM示意圖 ………………………………… 50
圖 3-7壓印力10N SEM示意圖 ……………………………………… 51
圖 3-8壓印力50N SEM示意圖 ……………………………………… 51
圖 3-9 SOG和Si(表面為PTFE)接觸角示意圖 ………………………... 53
圖 3-10 SOG和Sapphire(表面為PTFE) 接觸角示意圖 ……………… 53
圖 3-11 SOG和Si接觸角示意圖………………………………………... 53
圖 3-12 SOG和Sapphire 接觸角示意圖 ……………………………… 54
圖 3-13 模仁未旋塗PTFE脫模後SEM示意圖………………………… 54
圖 3-14 模仁旋塗PTFE脫模後SEM示意圖…………………………… 54
圖 3-15 發光二極體之I-V Curve(順向偏壓過大)示意圖……………... 56
圖 3-16 壓印材料蝕刻後p-GaN受損示意圖 ………………………… 56
圖 3-17 發光二極體之I-V Curve (有漏電流)示意圖 ...……………… 56
圖 3-18 壓印材料蝕刻後電極未受損示意圖 ………………………… 57
圖 3-19 發光二極體之I-V Curve 示意圖 ...…………………………… 57
圖 3-20 製作完成之LED晶片,微結構為V型光柵圖形 ..………… 59
圖 3-21 製作完成之LED晶片,微結構為(微米)金字塔圖形 ……… 60
圖 3-22 製作完成之LED晶片,微結構為(微米)梯形光柵圖形 …… 60
圖 3-23 製作完成之LED晶片,微結構為(微米)圓柱圖形 ………… 60
圖 3-24 製作完成之LED晶片,微結構為(微米)角錐圖形 ………… 61
圖 3-25 製作完成之LED晶片,微結構為(次微米)金字塔圖形 …… 61
圖 3-26 製作完成之LED晶片,微結構為(次微米)圓洞圖形 ……… 61
圖 3-27 發光二極體(次微米)之I-V Curve 比較圖 ………………… 62
圖 3-28 發光二極體(微米)之L-I Curve 比較圖 …………………… 63
圖 3-29 發光二極體(次微米)之L-I Curve 比較圖 ………………… 63
表目錄
表 2-1 各式微米模仁結構示意圖 ……………………………………… 33
表 2-2 各式次微米模仁結構示意圖 …………………………………… 33
表 2-3 脫模劑(PTFE)與SOG之塗怖參數 ……………………………… 35
表 2-4 壓印微結構圖形轉錄參數 ……………………………………… 36
表 3-1 不同結構(微米)之順向偏壓比較表 …………………………... 62
表 3-1 不同結構(次微米)之順向偏壓比較表 ………………………... 62
表 3-2 不同結構(微米)之光強度比較表 ……………………………... 64
表 3-2 不同結構(次微米)之光強度比較表 …………………………... 64
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