臺灣博碩士論文加值系統

隨著發光二極體的快速發展，其應用範圍也隨之擴展，已漸漸取代日常生活中的照明，成為日常生活中不可或缺的重要元件，然而發光二極體發展至今，提升元件的內部量子效率已不足以大幅提升元件的總光量，外部量子效率又因為內部的吸收及全反射所造成的光損失，使得光子只能在內部全反射直到被吸收殆盡，造成發光效率不佳，而利用蝕刻技術使元件的結構改變是本研究主要提升量子效率的方法。
由於一般傳統的濕式蝕刻無法對氮化鎵進行有效蝕刻，因此本研究以高溫濕式蝕刻方式，利用硫酸與磷酸兩種酸性混合液體調製所需之蝕刻溶液，在320℃的高溫下進行化學濕式蝕刻，並使用抗蝕刻的二氧化矽做為蝕刻阻擋層，藉由化學濕式蝕刻具有等向性蝕刻的特性，製備出具有底切形狀之發光二極體，利用晶粒底切形狀的改變來提升現有發光二極體的量子效率。
待晶粒底切幾何結構發光二極體製備完成後，以掃描式電子顯微鏡檢測其外觀，再利用光束角做光型態分析，最後再以積分球量測底切幾何結構對電性及光性之影響。由實驗結果我們得知，晶粒底切幾何結構發光二極體確實狀破壞了出射光的反射路徑，使發光效率有所提升，元件的外部量子效率增加了4.98%，光束角增加了3.75度，而最大正向光強度也提高了12.4%。此外，本研究之晶粒底切結構發光二極體應用在手機背光源、液晶螢幕背光源及電視螢幕背光源的量產測試上，亦能高出傳統發光二極體約5%的發光效率。

With the rapid development in the technology of light-emitting diodes (LEDs), the scope of LEDs applications also will be expanded. They have gradually replaced lighting in our daily life and become an indispensable component. Improving the LEDs’ internal quantum efficiency is not enough to significantly improve the device's total light output power because of the external quantum efficiency caused by the absorption and total reflection of the internal optical loss. This causes the photons only in the total internal reflection until it had been absorbed, resulting in poor luminous efficiency. To enhance the quantum efficiency, geometric deformation by etching is the major method in this study.
Conventional wet etching can not be effective etching of GaN. In this study, we use the high-temperature wet etching , the two acid mixture of H2SO4 and H3PO4 etching solution under the chemical wet etching in a high temperature of 320℃, while using the SiO2 as an etching hard mask, Utilizing the isotropic characteristic of chemical wet etching, LEDs with undercut structure are fabricated in this experiment, improving the quantum efficiency by undercut geometry structure.
When the undercut geometry structure of light-emitting diode system is prepared to completion, we use the SEM to see the undercut’s morphology, and then light pattern is analyzed from its beam angle, to obtain the electrical and optical properties’ measurements. From the experimental results, we know that the undercut geometry structure of light-emitting diodes does status destruction order to the reflection of the beam path, so that the light output power efficiency has improved . The external quantum efficiency increased by 4.98% with undercut structure LEDs, beam angle to increase by 3.75 degrees, and the maximum positive light intensity also increased by 12.4%. Finally, in mobile phone, LCD, and TV monitor back light applications, luminous efficiency of proposed LEDs can be 5% higher than general ones.

摘要
Abstract
致謝
目錄
圖目錄
第一章 緒論
1.1 研究背景與動機
1.2 研究目的與方法
1.3 研究步驟與流程
第二章 文獻探討
2.1 發光二極體發光原理
2.2 提升發光效率
2.2.1 造成光萃取效率低落的光損失原因
2.2.2 增進光萃取效率的方法
2.3 化學濕式蝕刻法 ( Chemical Wet Etching Method )
2.3.1 前言
2.3.2 乾式蝕刻(Dry etching)
2.3.3 濕式蝕刻(Wet Etching )
第三章 實驗製程方法及步驟
3.1 前言
3.2底切幾何結構發光二極體製備
3.3 量測儀器介紹
3.3.1 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)
3.3.2 積分球(integrating sphere)
3.3.3 光束角(Beam Angle)
第四章 實驗結果分析與討論
4.1 前言
4.2 底切結構外觀分析
4.3 底切結構發光二極體電特性分析
4.4 底切結構發光二極體光特性分析
4.5 底切結構發光二極體光束角分佈分析
4.6 底切結構發光二極體量產表現分析
4.7 本章小節
第五章 結論與未來研究方向
5-1 結論
5-2 未來研究方向
參考文獻
圖1-1 研究架構流程圖
圖2-1 P-N 接面結構圖
圖2-2 P-N 接面在熱平衡時之能帶圖
圖2-3 P-N 接面在順向偏壓下載子流動示意圖
圖2-4 材料的磊晶技術與發光範圍
圖2-5 雙異質結構圖
圖2-6 入射光行經散射界面示意圖
圖2-7 全反射現象示意圖
圖2-8 晶片鍵合技術之示意圖
圖2-9 晶片鍵合之GaN藍光發光二極體示意圖
圖2-10 左圖為光線被侷限示意圖；右圖為表面粗化後光線路徑圖
圖2-11 左圖為傳統矩形LED結構；右圖為Nichia在內外部做週期的結構
圖2-12 覆晶結構示意圖
圖2-13 傳統矩形晶粒外型
圖2-14 TIP型發光二極體實體以及TIP型結構示意圖
圖2-15 乾式蝕刻示意圖
圖2-16 濕式蝕刻的反應機制
圖2-17 (a)乾式蝕刻示意圖; (b)濕式蝕刻示意圖
圖3-1 幾何結構發光二極體製備流程圖
圖3-2 (a)為磊晶片晶粒圖形定義後經雷射切割之切割道示意圖
圖3-2 (b)為經雷射切割後之剖面圖
圖3-3 高溫濕式蝕刻加熱器示意圖
圖3-4 製備高溫濕式蝕刻流程示意圖
圖3-5 (a)為具有底切幾何結構之發光二極 (b)為傳統矩形結構發光二極體
圖3-6 (a)(b)分別為經高台圖形蝕刻後之底切結構與傳統矩形結構發光二極體
圖3-7 (a)(b)分別為具有透明導電層之底切結構與傳統矩形結構發光二極體
圖3-8 (a)(b)分別為具有P/N金屬接墊層之底切結構與傳統矩形結構發光二極體
圖3-9 掃描式電子顯微鏡示意圖
圖3-10 積分球內漫反射光路圖示意圖
圖3-11 光束角範圍示意圖
圖4-1 (a)(b)分別為傳統發光二極體及底切結構發光二極體光反射路徑示意圖
圖4-2 左圖為傳統結構SEM示意圖，右圖為底切結構SEM示意圖
圖4-3 傳統發光二極體與晶粒底切發光二極體之電特性分析圖
圖4-4 傳統發光二極體與晶粒底切發光二極體之光特性分析圖
圖4-5 傳統發光二極體與晶粒底切發光二極體之光束角分析圖
圖4-6 晶粒底切結構發光二極體不同尺寸示意圖
圖4-7 20mil*20mil之發光二極體亮度示意圖
圖4-8 20mil*20mil之發光二極體亮度分布圖
圖4-9 23mil*10mil之發光二極體亮度示意圖
圖4-10 23mil*10mil發光二極體亮度分布圖
圖4-11 42mil*22mil之發光二極體亮度示意圖
圖4-12 42mil*22mil發光二極體亮度分布圖

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