臺灣博碩士論文加值系統

在本研究中，我們使用硫酸、磷酸3比1的混合溶液在250˚C高溫下以濕式化學蝕刻的方式製備火山形圖案化藍寶石基板(Volcano- Shaped Patterned Sapphire Substrate, VSPSS)，此圖案化基板可以在不改變圖形大小、深度情況下提升光萃取效率，接著更進一步在基板火山口蝕刻凹槽內沈積SiO2，利用此一方法將可以增加光在LED元件內的散射機率並進一步提升元件外部量子效率。

In this research , we use 3H2SO4 : 1H3PO4 volume mixture solution at 250˚C to fabricate Volcano- Shaped Patterned Sapphire Substrate(VSPSS), which can enhance light extraction efficiency without changing the pattern’s size or depth. And then the volcano-shaped pattern will deposit SiO2 fillings at etched pits, with this process we can further enhance the external quantum efficiency due to these SiO2 fillings induced more light scatterings within LED structure.

目錄
指導教授推薦書....................................................i
口試委員審定書................................................................ii
長庚大學博碩士論文著作授權書...............................iii
誌謝...........................................................................iv
中文摘要..................................................................v
英文摘要..........................................................................vi
目錄.............................................................................vii
圖目錄................................................................................x
表目錄..................................................................xiii

第一章 導論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
第二章 理論與文獻回顧 3
2.1 III-V族氮化物介紹 3
2.2 LED基本工作原理與結構 5
2.3 LED光學原理 8
2.4 磊晶基板選擇 10
2.5 藍寶石基板介紹 12
2.6 ELOG(Epitaxial lateral overgrowth )側向磊晶技術 15
2.7 圖案化基板的製備方法 17
2.7.1 乾式蝕刻藍寶石基板技術原理 17
2.7.2 濕式蝕刻藍寶石基板技術原理與回顧 18
2.8 濕式蝕刻圖案化藍寶石基板實驗動機及計劃 21
第三章 濕式蝕刻圖案化藍寶基板製作流程
3.1 利用電漿輔助化學氣相沈積法成長SiO2薄膜 27
3.2 實驗製程步驟 29
3.2.1 蝕刻前基板清洗及黃光微影步驟 29
3.2.2 濕式蝕刻實驗參數設定及流程 32
3.2.3 試片C實驗流程 33
3.3 檢測試片表面方法 34
3.3.1 光學顯微鏡OM 34
3.3.2 表面高度量測儀 (α-step) 34
3.3.3 掃描式電子顯微鏡(SEM) 34
3.4 樣品磊晶結構 37
第四章 濕式蝕刻圖案化藍寶石基板實驗結果與討論 38
4.1 濕式蝕刻基板圖形觀察 38
4.2 SiO2遮罩觀察 40
4.3 火山口六角錐圖形表面觀察 44
4.3.1 外部六角錐狀圖形 44
4.3.2 內部凹槽圖形 47
4.4 試片C二次沈積SiO2之表面圖形觀察 52
4.5 X光繞射量測 55
4.5.1 ω- scan 量測分析 56
4.5.2 ω- 2θ scan 量測分析 57
4.6 光激發螢光光譜量測 59
4.6.1 光激發光譜實驗架構 59
4.6.2 光激發光譜量測結果 61
4.7 電激發光量測 64
4.7.1 電激發光實驗架構 64
4.7.2 不同圖案化基板上成長發光二極體光特性量測 65
4.7.3 不同圖案化基板上成長發光二極體電特性量測 66
第五章 結論與未來展望 70
參考文獻 71

圖目錄
圖1-1 2011到2015 LED市場預測圖 2
圖2-1 III-V族氮化物之能隙及晶格常數對應圖 4
圖2-2 六方晶格的烏采(Wurtzite)結構圖 4
圖2-3 順向偏壓下同質接面示意圖 6
圖2-4 順向偏壓下雙異質接面示意圖 6
圖2-5 量子井能帶示意圖 7
圖2-6 異質接面之多重量子井結構 7
圖2-7 折射機制示意圖 9
圖2-8 LED中大於臨界角的光線將在材料內進行全反射 9
圖2-9 氮化鎵與藍寶石晶格不匹配示意圖 11
圖2-10 藍寶石六方最密堆積HCP結構示意圖 14
圖2-11 藍寶石常見平面俯視圖及側視圖 14
圖2-12 側向磊晶ELOG製程示意圖 16
圖2-13 乾式非等向性蝕刻及濕式等向性蝕刻示意圖 20
圖2-14 文獻凹槽圓錐狀圖案化基板 20
圖2-15 文獻(a)(b)角錐狀及(c)(d)平台角錐狀圖案化板 20
圖2-16 SEM觀察基板蝕刻(a)前(b)後SiO2遮罩圖形表面形態 23
圖2-17 SEM觀察基板蝕刻後SiO2遮罩圖形側面形態 23
圖3-1 電漿輔助化學氣相沈積系統結構示意圖 28
圖3-2 PECVD反應機制流程圖 28
圖3-3 試片A 直經5um圓形遮罩 31
圖3-4 試片B、試片C外直徑5um內直徑2.5um環形遮罩 31
圖3-5 試片C於再次沈積SiO2後光阻遮罩表面形態 33
圖3-6 光學顯微鏡物鏡100倍率下觀察蝕刻圖形表面 36
圖3-7 光學顯微鏡物鏡100倍率下觀察蝕刻圖形底面 36
圖3-8 樣品磊晶結構圖 37
圖4-1 藍寶石常見平面俯視圖及側視圖 38
圖4-2 藍寶石基板之六角對稱晶格面示意圖 39
圖4-3 SEM觀察SiO2環形遮罩於250°C蝕刻20分鐘後表面形態 41
圖4-4 先前實驗SEM觀察SiO2圓形遮罩於280°C蝕刻400秒後表面形態 41
圖4-5 基板沿<1-100>劈列方向示意圖 42
圖4-6 SiO2遮罩於(a)280°C蝕刻400秒和(b)250°C蝕刻20分鐘側面觀察比較圖 42
圖4-7 SEM 觀察蝕刻後基板表面形態及圖形大小與分佈 43
圖4-8 移除SiO2遮罩後比較(a)250°C蝕刻20分鐘和(b)280°C蝕刻10分鐘圖形表面形態 44
圖4-9 (a)定義角錐角度小者為A角，角度大者為B角並和(b)六角對稱晶格示意圖做對照 45
圖4-10 蝕刻角錐對應n、r平面關係圖 45
圖4-11 文獻中二次蝕刻角錐狀圖案化基板 46
圖4-12 (a)基板沿<1-100>方向劈列示意圖(b)A、B角剖面觀察圖 47
圖4-13 (a)(b)文獻研究結果顯示隨著蝕刻時間加長深度增加，(1-10l)面蝕刻的速度快過於(11-2l)面
造成(1-10l)面消失；(c)本實驗正面觀察凹槽內部三個(1-100)m平面 48
圖4-14 本次實驗於250°C蝕刻20分鐘火山口凹槽圖案化基板(a)正視圖與(b)剖面圖 50
圖4-15 先前研究文獻250°C蝕刻圓形圖案化基板30分鐘(a)正視圖(b)剖面圖 51
圖4-16 斜向SEM觀察試片C表面SiO2型態 52
圖4-17 SEM觀察試片C表面形態 53
圖4-18 SEM觀察試片C剖面形態 53
圖4-19 晶格中的X-ray繞射現象 56
圖4-20 樣品R、A、B、C(002)面的ω- 2θ譜線 58
圖4-21 光激發光譜儀器架構示意圖 61
圖4-22 光激發光譜分析較 62
圖4-23 光激發光譜積分強度歸一化後對照圖 63
圖4-24 電激發光儀器架構示意圖 65
圖4-25 電激發光光譜積分強度 66
圖4-26 順向偏壓電特性 68
圖4-27 逆向偏壓下反向漏電流 68

表目錄
表2-1 藍寶石基本物理性質表 13
表4-1 藍寶石常見平面代號與米勒指數 40
表4-2 不同晶格面間相交角度 40
表4-3 各樣品(002)面XRD半高寬 58
表4-4 各試片之光激發光譜分析比較 63
表4-5 注入電流20mA下各試片元件之光電特性 69
表4-6 注入電流350mA下各試片元件之光電特性 69
表4-7 各試片於逆向偏壓-10V下元件之逆向電流 69
表4-8 各試片於注入電流350mA下之光譜分析 69

參考文獻
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