臺灣博碩士論文加值系統

本論文為調變磷化鋁鎵銦發光二極體P型侷限層鎂摻雜濃度，經加速老化後的變化，利用各種工具去分析老化前後元件特性的變化。
首先，先探討調變發光二極體中的鎂摻雜濃度之目的，由理論推導發光二極體亮度、電流電壓特性曲線及空乏區等變化。實際上去製作元件，並量測電性及亮度等特性後，為了快速了解元件內部發生之變化機制，經由加速老化實驗去加速元件衰退，得到老化前後電流電壓特性曲線、阻抗分析儀之量測電容變化和縱深頻譜、變溫光輸出及變溫電致螢光光譜及漏電流等有用資訊。可以發現不同鎂摻雜濃度對於老化前元件亮度及電性的影響，在老化後初期亮度變化尤其顯著。且高摻雜濃度樣品經加速老化後，在I-V曲線及C-V、縱深頻譜上有傾向於恢復低摻雜濃度樣品的趨勢。推測此現象與老化過程中減少了元件內有效電洞濃度有關。

In this thesis, the modulation of AlGaInP light emitting diode P-type cladding layer doping concentration,using various tools to analyze the changes of device characteristics before and after aging.
First , discussing the purpose of modulating Mg doping concentration of light emitting diode, inferencing changes of brightness, the C-V curve and depletion region changes by theory. In order to quickly understand the mechanism of the changes inside the devices, we got the I-V curve, impedance analyzer measured changes in capacitance and depth spectrum, light output and electroluminescence fluorescence spectra and leakage current, and other useful informations. We can find the effect of different Mg doping concentrations for the brightness and electrical property. And high doping concentration samples after accelerating aging, the IV curves and CV curves,depth spectrums , tend to return to low doping concentration. Speculated that this phenomenon is about aging process reduces the concentrations of effective hole.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書………………………………………………………………… iii
致謝…………………………………………………………………… iv
中文摘要……………………………………………………………… v
英文摘要……………………………………………………………… vi
目錄…………………………………………………………………… vii
圖目錄……………………………………………………………………ix

第一章 序 論 1
1.1 AlGaInP 材料發展背景 1
1.2 本研究之動機與目的 2
1.3 磷化鋁鎵銦材料特性 3
1.3.1 晶格匹配(lattice match) 3
1-3.2 能隙 4
第二章 實驗樣品製備及實驗儀器介紹 6
2.1 樣品製備 6
2.2 實驗儀器介紹 10

第三章 研究理論背景 17
3.1 老化模式(degradation model) 17
3.1.1 rapid degradation 17
3.1.2 gradual degradation 18
3.1.3 catastrophic degradation 18
3.2 載子溢流(Carrier overflow) 19
3.2.1 高電流注入之情況(High-level injection) 19
3.2.2 導電帶能量差(band offset) 21
3.3 p-n 接面漂移(p-n junction displacement) 22
3.4 加速壽命試驗(Accelerated Life Test；ALT) 23
3.4.1 發光強度對應時間關係 (LED Output Power vs Aging Time) 24
3.4.2 操作電流對應時間關係 (LED Drive Current vs Aging time) 25
3.5 二極體電流電壓特性曲線分析[19] 26
3.6 電容-頻率量測 &電容-電壓量測 28
第四章 樣品分析與量測結果討論 32
4.1 提升P型摻雜濃度對元件的影響 32
4.2 實驗結果分析 36
4.2.1 老化前元件特性 36
4.2.2 加速老化初期元件特性探討 44
4.2.3 加速老化後期元件特性探討 53
4.3 結論 60
第五章 未來展望 61
參考文獻 62

圖目錄
第一章 導論
Fig1-1基板之晶格常數與磷化鋁鎵銦材料對應能隙關係……………4
Fig1-2磷化鋁鎵銦材料直接能隙轉換間接能隙關係圖………………5
第二章 理論基礎
Fig2-1磷化鋁鎵銦發光二極體樣品結構………………………………7
Fig2-2 樣品F結構差異圖………………………………………………8
Fig2-3樣品G結構差異圖……………………………………………9
Fig2-4 KEITLEY Model 2430 SourceMeter………………………… 10
Fig2-5 KEITLEY Model 6485 Picoammeter………………………… 11
Fig2-6 Agilent 4294A Precision Impedance………………………… 12
Fig2-7 Agilent E5270B 8-Slot Precision Measurement……………… 12
Fig2-8變溫系統量測架構圖………………………………………… 13
Fig2-9 (a) 分光儀實照 (b) 分光儀原理示意圖…………………… 14
Fig2-10電致螢光量測系統架構圖………………………………… 16
第三章 實驗量測與理論分析
Fig3-1固定電流下，發光強度隨時間的變化圖………………………18
Fig3-2 LED 老化的三種模式…………………………………………19
Fig3-3雙異質接面與 MQW的費米能階 EFn………………………20
Fig3-4載子溢流示意圖………………………………………………21
Fig3-5锌二次離子質譜分析…………………………………………23
Fig3-6加速壽命測試示意圖…………………………………………26
Fig3-7二極體電流電壓特性曲線圖…………………………………28
第四章 樣品分析與量測結果討論
Fig4-1調變P型摻雜雙異質接面能帶………………………………34
Fig4-2不同CP2Mg流量樣品亮度比較圖 inset:操作電壓…………36
Fig4-3不同濃度樣品老化前之漏電流………………………………37
Fig4-4不同濃度樣品電流電壓特性曲線比較圖……………………38
Fig4-5電容-頻率量測圖…………………………………… 39
Fig4-6(a)電容-電壓量測圖 (b)載子濃度縱深頻譜……………… 40
Fig4-7 90sccm樣品二次離子質譜儀量測………………………… 42
Fig4-8 TEM ：(a)DBR 布拉格反射層(b) MQW 多重量子井……… 43
Fig4-9樣品E變溫電容-電壓量測圖…………………………………44
Fig4-10老化70小時後不同摻雜濃度樣品之亮度變化…………… 45
Fig4-11老化70小時後不同摻雜濃度樣品之Vf變化………………45
Fig4-12老化70小時前後之I-V曲線圖………………………………46
Fig4-13 40sccm在不同老化時間之I-V曲線…………………………47

Fig4-14 90sccm在不同老化時間之I-V曲線………………………47
Fig4-15 90sccm(a) C-ω(b) C-V(c) depth Profile圖……………………49
Fig4-16 90sccm老化70hr變溫光輸出-亮度變化……………………50
Fig4-17 90sccm老化70hr變溫光輸出-操作電壓……………………51
Fig4-18 90sccm老化70hr變溫電致螢光波峰圖…………………… 52
Fig4-19 3+1 MQW結構………………………………………………52
Fig4-20長時間老化後不同摻雜濃度樣品之(a)亮度及(b)操作電壓變化……………………………………………………………………… 53
Fig4-21長時間老化後不同摻雜濃度樣品之(a)I-V(b)log曲線………54
Fig4-22長時間老化後不同摻雜濃度樣品之漏電流…………………55
Fig4-23長時間老化後之(a)C-V(b)Depth Profile…………………… 56
Fig4-24長時間老化後90sccm之C-V & Depth Profile………………57
Fig4-25長時間老化後之變溫光輸出(a)亮度(b)操作電壓………… 59
Fig4-26長時間老化後3+1 MQW之變溫電致螢光波峰圖…………59
表目錄
第二章 理論基礎
Table2-1 第一部分樣品對應不同的 Cp2Mg 流量……………………6
Table2-2第二部分樣品結構描述………………………………………7

[1] C. P. Kuo, R. M. Fletcher, T. D. Osentowski, M. C. Lardizabal, M. G.
Craford, and Rpbbins, Appl. Phys. Lett., vol.57, p.2937, (1990).
[2] R. M. Fletcher, C. P. Kuo, T. D. Osentowski, K. H. Huang, M. G.
Graford, and V. M. Robbins, J. Electron., vol.20, p.1125, (1991).
[3] H. Sugawara, M. Ishikawa, and G. Hatakoshi, Appl. Phys. Lett., vol.58,p.1010, (1991).
[4] S. J. Chang, C. S. Chang, Y. K. Su, P. T. Chang, Y. R. Wu, K. H. Huang
and T. P. Chen, IEE Proceedings Optoelectronics, vol.144, p.1, (1997).
[5] K. H. Huang, T. P.Chen,US Patent 5,661,742,(1997).
[6] H. J. Round, Electrical World, vol. 19, p.309, (1907).
[7] Jr. N. Holonyak, and S. F. Bevacqua, Appl. Phys. Lett., vol.1,
p.82,(1962).
[8] W. O. Groves, A. H. Herzog, and M. G. Craford, Appl. Phys. Lett.,
vol.19, p.184, (1971).
[9] R. M. Fletcher, C. P. Kuo, T. D. Osentowski, K. H. Huang, M. G.
Graford, and V. M. Robbins, J. Electron., vol.20, p.1125, (1991).
[10] Th. Gessmann, and E. F. Schubert, J. Appl. Phys., vol.95, p.2203,
(2004).
[11] A. Onton, and R. J. Chicotka, J. Appl. Physics., vol.41, p.4205,
(1970).
[12] R. J. Nelson, and N. Holonyak, Jr., J. Appl. Physics., vol.47, p.1704,
(1976).
[13] D. A. Prins, L. J. Sly, T. A. Meney, D. J. Dunstan, P. E. O’Reilly, R. A.Adams, and J.A. Valster, Phys. Chem. Solids., vol.56, p.349, (1995).
[14] A. F. Kish, and M. R. Fletcher, edited by G. B. Stringfellow, and M. G.Craford., Semiconductors and semimetals, vol.48, (1997).
[15] M.Fukuda, Reliability and Degradation of Semiconductor Lasers and
LEDs, (1991).
[16] Osamu. Ueda, Reliability and Degradation of III-V Optical Devices.
(1996).
[17] E. FRED SCHUBERT, Light-Emitting Diodes, (2006).
[18] E. FRED SCHUBERT, Light-Emitting Diodes, (2006).
[19] D. A. Neamen,“Semiconductor Physics and Devices”,(McGraw-Hill, Boston), 2003.
[20] C. T. Sah and V. G. K. Reddi, IEEE Trans. Elestron Devices, 11,345, 1964.
[21] G. L. Belenky, C. L. Reynolds, R. F. Kazarinov, V. Swaminathan, S. L. Luryi and J. Lopata, IEEE J. Quantum Electron., 32, 1450(1996).
[22] Mariko SU ZU K I, Kazuhiko ITA YA and Masaki OKAJ IMA , Jpn. J. App l. Phys. , 1994, 33: 749.
[23] Y. OHBA , Y. N ISH IKAWA , C. NOZA K I et al. , J. Cryst. Growth, 1988, 93: 613
[24] Chia-Ming Lee, Chang-Cheng Chuo, Jing-Fu Dai, Xian-Fa Zheng, and Jen-Inn Chyi, “Temperature Dependence of the Radiative Recombination Zone in InGaN/GaN Multiple Quantum Well Light Emitting Diodes”, Journal of Applied Physics, March, 2001