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研究生:施雅萱
研究生(外文):Ya-Hsuan Shih
論文名稱:提升氮化銦鎵近紫外光發光二極體發光性能之研究
論文名稱(外文):Investigation of improvement in optical performance of InGaN near-ultraviolet light-emitting diodes
指導教授:郭艷光
指導教授(外文):Yen-Kuang Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:光電科技研究所
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:112
中文關鍵詞:發光二極體氮化銦鎵模擬近紫外光
外文關鍵詞:LEDInGaNSimulationnear-ultraviolet
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氮化銦鎵發光二極體的發光波段從綠光到紫外光皆已被廣泛應用在各式的商業產品上,近年來,近紫外光發光二極體因為可以應用在油墨固化、生物醫學、水及空氣的淨化、液晶顯示器的無汞背光源,白光固態照明…等,目前為該領域研發熱點之一。雖然目前商業應用最普及的白光發光二極體都採用藍光發光二極體為激發光源,但以近紫外光發光二極體激發紅、藍、綠三原色螢光粉之白光發光二極體,因具有高演色性及高穩定度,仍具相當的發展潛力。
但氮化銦鎵近紫外光多量子井發光二極體,因為量子井銦的含量很少,因此,活性區中氮化鎵井障及氮化銦鎵量子井間的能帶間隙差相對的也就很小,致使載子的侷限能力不佳。較淺的量子井使得及較差的載子侷限能力,導致近紫外光發光二極體電子溢流的情況會比其他可見光氮化銦鎵發光二極體來得嚴重許多,讓元件效率的大幅下降。本論文將從模擬的觀點,設計最後一個量子井井障及電子阻礙層對於氮化銦鎵近紫外光發光二極體之影響,並提出可改善其發光效率之結構設計。
在第一章中,針對近紫外光氮化銦鎵發光二極體近年來在固態照明領域及其他領域之應用及發展概況做一簡介,並提出其他研究團隊對於改善近紫外光氮化銦鎵發光二極體效率之結構優化方法。
在第二章中,介紹了本論文研究所參考的氮化銦鎵近紫外光發光二極體結構,並介紹在模擬程式中與氮化物相關之物理參數設定。
在第三章中,探討在最後一個量子井井障特殊結構設計對近紫外光氮化銦鎵發光二極體之影響。包含了發光性能、能帶結構、電子與電洞分佈、輻射再結合速率以及電場…等特性分析,找出其優化結構提升發光功率。
在第四章中,探討使用氮化鎵/氮化鋁鎵超晶格電子阻礙層取代傳統氮化鎵電子阻礙層對近紫外光發光二極體之特性影響,並深入分析使用氮化鎵/氮化鋁鎵超晶格電子阻礙層發光效率改善之物理原因。
最後在第五章為本論文做一個完整的結論。

The III-nitride InGaN-based light-emitting diodes (LEDs) have been applied in many commercial products due to the wide emission spectra covering from green to ultraviolet (UV). Recently, near ultraviolet (NUV) LEDs start to play an important role in many application areas, such as the curing of ink, biomedicine, purification or sterilization of water, photo catalysis for air purification, Hg-free back lighting source in liquid-crystal displays, and solid-state white lighting. Although the commonly used pumping source for white-light LEDs is the blue LED at present, the NUV LEDs that are utilized as the excitation source for triphosphor are still under extensive development due to the relatively good color rendering index (CRI) and highly stable white-light emission.
Unfortunately, the output power of NUV InGaN multiple-quantum well (MQW) LEDs is quite limited presumably due to the poor carrier confinement in the active region, which is resulted from the low indium composition in the InGaN wells of NUV LEDs and consequently the small band-offset between the GaN barriers and InGaN wells. As a result, the electron leakage current is a serious problem due to the shallow wells and weak confinement of electrons in NUV LEDs. In this thesis, the appropriate design of the structure is proposed to enhance the optical characteristics of the NUV LEDs.
In chapter 1, the development of solid-state lighting and other applications for the NUV LEDs are described. In addition, the literatures and papers related to the concept of the optimized structures that can be used to improve the efficiency of NUV InGaN LEDs are introduced.
In chapter 2, the structures of the NUV LEDs under study and the physical parameters such as the bandgap energy, bowing parameters, band-offset ratio, polarization effect, and Shockley-Read-Hall (SRH) lifetime of the III-nitride alloys used in the APSYS simulation program are introduced.
In chapter 3, specific designs on the last barrier are investigated for the NUV InGaN LEDs. The band diagrams, electrostatic fields, electron and hole concentrations in the active region, and radiative recombination rate are analyzed and compared.
In chapter 4, the effect of the GaN/AlGaN superlattice electron-blocking layer (EBL) upon the NUV InGaN LEDs is numerically studied. Moreover, the superlattice EBL structure is demonstrated and the physical origins for the improvement in optical performance are figured out.
Finally, a summary to the previous studies is provided in chapter 5.

目錄 I
中文摘要 IV
英文摘要 VI
圖表索引 VIII

第一章 近紫外光發光二極體之介紹 1
1.1 前言 1
1.2 近紫外發光二極體之應用與發展 4
1.2.1 近紫外光之簡介與應用 4
1.2.2 近紫外光發光二極體在照明應用之發展 5
1.2.3 近紫外光發光二極體在其他領域之應用 8
1.3 提升近紫外光發光二極體發光功率之元件設計 10
1.4 結論 26
參考文獻 27

第二章 模擬結構與參數設定 44
2.1 前言 44
2.2 近紫外光氮化銦鎵發光二極體元件結構介紹 45
2.3 物質參數設定 47
2.4 自由參數設定 51
2.5 結論 52
參考文獻 53
第三章 設計最後一個量子井井障以提升近紫外光發光二極體發光效率之探討 61
3.1 研究動機 61
3.2 元件結構設計 67
3.3 模擬結果與分析 70
3.4 結論 84
參考文獻 86

第四章 使用超晶格電子阻礙層取代傳統電子阻礙層對近紫外光發光二極體之特性探討 89
4.1 研究動機 89
4.2 元件結構設計 96
4.3 模擬結果與分析 98
4.4 結論 108
參考文獻 109

第五章 結論 112
附錄A 論文發表清單 i

圖表索引
圖1.1 各色LED發光效率的演進過程圖。 3
圖1.2 三種產生白光LED的技術(a)紅+綠+藍 LEDs(b)藍光LED+黃色螢光粉(c)UV LED+RGB螢光粉。 6
圖1.3 UV LED最佳效率的統整。 8
圖1.4 (a)紙鈔防偽偵測(b)螢光物質檢測(c)廢油污測量。 9
圖1.5 不同Auger係數下,電流對歸一化量子效率作圖。 11
圖1.6 不同In含量結構,電流對歸一化量子效率作圖。 12
圖1.7 各材料能帶示意圖及Eg計算。 13
圖1.8 AlGaN-InGaN及GaN-InGaN LED電流-功率圖。 14
圖1.9 不同井障成份電流-功率圖。16
圖1.10 在操作電流500 A/cm2下,能帶圖及波函數計算(a)Al0.16Ga0.84N(b)In0.02Al0.16Ga0.82N(c)In0.03Al0.16Ga0.81N。 17
圖1.11 改變井障厚度從12 nm至3 nm的外部量子效率和EL圖。18
圖1.12 能帶和電洞濃度分佈圖(a)12 nm(b)3 nm厚的井障。19
圖1.13 Al0.2Ga0.8N/AlN/Al0.2Ga0.8N PCTJ的能帶圖。 20
圖1.14 反向極化之(a)能帶圖(b)SRH(Shockley-Read-Hall)、輻射再結合、電子溢流率與電流圖。 21
圖1.15 使用ULD基板時,外部量子效率對量子井井寬之關係圖。 22
圖1.16 使用不同基板時,外部量子效率對量子井井寬之關係圖。 23
圖1.17 外部量子效率對三種不同基板之量子井井寬比較圖。 24
圖1.18 (a)LED1(b)LED0不同反向偏壓下之光電流光譜圖。 25
圖2.1 近紫外光發光二極體之原始結構圖。 46
圖2.2 實驗與模擬之發光功率與電流關係圖。 52
圖3.1 InGaN/GaN LED之能帶圖。 62
圖3.2 InGaN/InGaN LED之能帶圖。 63
圖3.3 使用不同量子井井障結構之輻射強度與外部量子效率圖。 64
圖3.4 (a)雙波長能帶結構示意圖S1為GaN-LQB, S2為InGaN-LQB(b)PL量測(c)EL量測。 65
圖3.5 (a)原始結構(b)新設計結構能帶示意圖。 67
圖3.6 在60 mA下,最後一個量子井井障InxGa1–xN(6 nm)使用不同In含量之元件輸出功率數據比較圖。 69
圖3.7 四個LED結構之L-I特性圖。 70
圖3.8 四個LED結構之IQE特性圖。 71
圖3.9 四個LED結構之I-V特性圖。 72
圖3.10 在60 mA下,四個LED結構之能帶圖。 73
圖3.11 在60 mA下,四個LED結構之電場圖。 75
圖3.12 在60 mA下,四個LED結構之last barrier附近區域之(a)導電帶及(b)價電帶局部放大圖及有效位能障之計算。 76
圖3.13 在60 mA下,(a)活性區中之電子與電洞濃度分佈圖,(b)活性區中的量子井電子與電洞之濃度分佈放大圖。 78
圖3.14 在60 mA下,四個LED結構活性區之輻射再結合速率圖。 81
圖3.15 在60 mA下,四個LED結構之電子電流密度圖。 82
圖4.1 電流對-動態電阻圖,LEDⅠ電極下方無superlattice,LEDⅡ電極下方有superlattice。 90
圖4.2 導帶能帶示意圖,sample A為AlGaN井障,sample B為AlGaN/InGaN SLB。 91
圖4.3 能帶示意圖,左圖為沒有MQBs,右圖為使用MQBs。 91
圖4.4 在不同的操作溫度下,電流-尖峰波長圖,(a)沒使用MQBs(b)使用MQBs。 92
圖4.5 導帶能帶結構示意圖,(a)Single EBL(b)MQBs。 93
圖4.6 AlGaN EBL及AlGaN/GaN MQBs之導電帶示意圖。 93
圖4.7 (a)AlGaN/GaN MQBs(b)AlGaN single EBL,導電帶之示意圖。 94
圖4.8 AlGaN/GaN MQBs及AlGaN EBL結構,(a)輸出功率(b)外部量子效率。 95
圖4.9 (a)single-EBL(b)superlattice-EBL結構示意圖。 96
圖4.10 二個LED結構之L-I特性圖。 98
圖4.11 二個LED結構之IQE特性圖。 99
圖4.12 二個LED結構之I-V特性圖。 100
圖4.13 在60 mA下,二個LED結構之能帶圖。 101
圖4.14 在60 mA下,single-EBL之(a)導電帶(b)價電帶,superlattice -EBL之(c)導電帶(d)價電帶之局部放大圖及有效位能障之計算。 102
圖4.15 在60 mA下,二個LED結構之電場圖。 103
圖4.16 在60 mA下,二個LED結構活性區及EBL區域之載子濃度分佈圖。 104
圖4.17 在60 mA下,二個LED結構活性區及EBL區域之輻射再結合機率圖。 106
圖4.18 在60 mA下,二個LED結構之電子電流密度圖。 107

表1.1 全球政府管制白熾燈計畫 2
表2.1 近紫外光InGaN LED各層材料間之介面極化電荷密度。 49
表2.2 二元氮化物材料GaN、AlN與InN之模擬參數設定。 50
表3.1 GaN-LED與In0.03Ga0.97N-LQB LED比較表格。 66
表3.2 在60 mA下,四個LED結構之輸出功率。 70
表3.3 在60 mA下,四個LED結構之內部量子效率。 71
表3.4 Last barrier之介面極化電荷密度。74
表3.5 在60 mA下,新設計三個結構,藉由積分計算『活性區』內之電子、電洞濃度提升率。 79
表3.6 在60 mA下,新設計三個結構,藉由積分計算『量子井』中之電子、電洞濃度提升率。 80
表3.7 在60 mA下,新設計三個結構,藉由積分計算量子井中之輻射再結合提升率。 80
表3.8 在60 mA下,新設計三個結構,活性區中所增加的電子與電洞數量之比值。 83
表4.1 在60 mA下,二個LED結構之輸出功率。 98
表4.2 在60 mA下,二個LED結構之內部量子效率。 99
表4.3 在60 mA下,superlattice-EBL結構,藉由積分計算量子井中之電子與電洞濃度提升率。 105
表4.4 在60 mA下,superlattice-EBL結構,藉由積分計算量子井中之輻射再結合提升率。 106




[1]Y. H. Cho and Y. P. Sun, “High quantum efficiency of violet-blue to green light emission in InGaN quantum well structures grown by graded-In-content profiling method,” Appl. Phys. Lett., vol. 90, pp. 011912-1–011921-3, 2007.
[2]J. Li, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, “Growth of III-nitride photonic structures on large area silicon substrates,” Appl. Phys. Lett., vol. 88, pp. 171909-1–171909-3, 2006.
[3]Y. A. Chang, C. Y. Luo, H. C. Kuo, Y. K. Kuo, C. F. Lin, and S. C. Wang, “Simulation of InGaN quantum well laser performance using quaternary InAlGaN alloy as electronic blocking layer,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 44, pp. 7916–7918, 2005.
[4]C. F. Lu, C. F. Huang, Y. S. Chen, W. Y. Shiao, C. Y. Chen, Y. C. Lu, and C. C. Yang, “Phosphor-free monolithic white-light LED,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 15, pp. 1210–1217, 2009.
[5]K. Okamoto and Y. Kawakami, “High-efficiency InGaN/GaN light emitters based on nanophotonics and plasmonics,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 15, pp. 1199–1209, 2009.
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[8]S. Nakamura, M. Senoh, and T. Mukai, “High‐power InGaN/GaN double‐heterostructure violet light emitting diodes,” Appl. Phys. Lett., vol. 62, pp. 2390−2392, 1993.
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[10]S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1997.
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