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研究生:宋凌帆
研究生(外文):LING-FAN SONG
論文名稱:圖案化藍寶石基板上成長覆晶型紫外光發光二極體之特性研究
論文名稱(外文):Characterizations of GaN-based Flip-Chip UV LED Fabricated on Patterned Sapphire Substrate
指導教授:溫武義
指導教授(外文):Wu-Yih Uen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程研究所
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:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:氮化鎵發光二極體圖案化藍寶石基板覆晶型紫外光發光二極體
外文關鍵詞:GaNLight-emitting diodePatterned sapphire substrateFlip chip type of UV-LED
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目前針對發光二極體(LED)的研究,主要著重於高發光效率與大面積及大功率發光二極體〪在本論文中系使用圖案化藍寶石基板(PSS)與標準型藍寶石基板(SSS)來製作晶粒尺寸38x38mil 覆晶型紫外光發光二極體(Flip chip UV-LED)於波段400nm與365nm,並針對頻譜響應、晶格品質、發光效率、近場光學圖像等四個部分加以分析及探討〪
頻譜響應方面,波長400nm上因為PSS與SSS基板上結構並無太大差異,而所呈現的頻譜響應在中心波長及波長半高寬沒有明顯的差異,而365nm波段因為GaN材料吸收的問題產生,導致兩種基板呈現的頻譜響應均有不對稱的現象發生討〪晶格品質方面,SSS與PSS兩種基板在400nm磊晶結構下的DCXRD搖擺曲線(ω-scan)在對稱面(002)及全非對稱面(102)下的半高寬(FWHM)分別從300降低到255 aresec,以及從360降到300arcsec;而兩種基板在365nm磊晶結構下(002)及(102)亦分別從375降到300 aresec,以及從500降到330 arcsec〪
發光效率方面,SSS與PSS基板於400nm在電流350mA操作下光強度分別為276.9及519.9mW,而在365nm下,SSS與PSS基板在操作電流350mA下光強度分別為13.62及69.93mW,PSS基板上輸出功率大幅增加主要歸因於較高的內部量子效率和更好的光取出效率〪在通過350mA電流下的SSS與PSS基板在400nm下順向偏壓分別為3.24及3.28V屬誤差範圍內並無差明顯異性,而在365nm通過350mA電流下順向偏壓分別為4.44及4.57V,主要為PSS結構設計上具有較高的串聯阻抗〪
最後在近場光學表現上,實驗中利用了光學分析軟體來探討不同波段下SSS與PSS基板於X軸與Y軸方向上的光強度分佈,來證明不同LED磊晶基板的光學取出方式及其發光特性〪


Currently, advancing research on light-emitting diode (LED) is focused on large-area, high luminous efficiency and high power devices.
In this paper, we use the patterned sapphire substrate (PSS) and the standard sapphire substrate (SSS) to fabricate the size of 38×38mil flip chip type of ultraviolet light emitting UV-LED in 400nm and 365nm. Besides, we analysis and investigate on four parts of response of spectral, crystal quality, light output efficiency, and near-field optical performance.
For response of spectral, two structures of 400nm made by PSS and SSS are no significant differences on center wavelength and full width at half maximum (FWHM). For the structures of 365nm, the spectral are asymmetric in those two substrates, this is because the self-absorption of the GaN material.
For crystal quality, two types of SSS and PSS substrates on 400nm structures, the FWHM of the DCXRD rocking curve (ω-scan) in the plane of symmetry (002) and asymmetric (102) are reduced from 300 to 255 arcsec, and 360 to 300 arcsec, respectively. The FWHM of two types of substrates in 365nm structures in (002) and (102) are also reduced from 375 to 300 arcsec, and 500 to 330 arcsec, respectively.
For light output efficiency, the light output power (LOP) in 400nm structures under 350mA driving current in SSS and PSS are 276.9 and 519.9 mW, respectively. For 365nm structures the LOP under 350mA driving current in SSS and PSS are 13.62 and 69.93 mW, respectively. The increase of output power in PSS structure is mainly attributed to higher internal quantum efficiency (IQE) and better light extraction efficiency (LEE).
The forward voltage in 400nm structures of SSS and PSS under 350mA are 3.24 and 3.28V, respectively. There are no significant differences between two samples, and we believe that is under tolerance scope. The forward voltage in 365nm structures of SSS and PSS under 350mA are 4.44 and 4.57V, respectively. This is because it has a higher series resistance for design in 365nm structure on PSS.
Finally, in the near-field optical performance, we study on the distribution of light emitting in X-axis and Y-axis direction under different substrate and different wavelength by the software of optical analysis, to prove the properties of light extraction and characteristics in different substrate.



目錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
致謝 Ⅳ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅷ
第一章 導論 1
1-1前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 論文概述 3

第二章 實驗原理與實驗設備介紹 4
2-1 LED發光原理 4
2-2 有機金屬化學氣相沉積系統原理 6
2-3 磊晶機台設備介紹 7
2-3-1 X-射線繞射分析原理 10
2-3-2 電性測試機 11
2-3-3 電子顯微鏡 12
2-3-4 光學顯微鏡 13
2-4 圖案化藍寶石基板介紹 14
2-5 晶粒製程機台介紹 15
2-5-1 ICP感應耦合電漿(Inductively coupled plasma,ICP ) 15
2-5-2 化學氣相沉積法CVD 19
2-5-3 化學清洗槽 19
2-5-4 光阻塗佈機 20
2-5-5 手動曝光機 22
2-5-6 電子束蒸鍍機 23
2-5-7 電鍍機 27
2-5-8 晶片研磨機 28
2-5-9 晶片切割機 28
2-5-10晶片劈裂機 29
2-5-11晶粒點測機 30

第三章 實驗步驟與方法 33
3-1覆晶型紫外光發光二極體磊晶製程 33
3-2覆晶型紫外光發光二極體晶粒製程 36
3-3覆晶型紫外光發光二極體光電材料特性量測與分析 43

第四章 結果與討論分析 44
4-1圖案化基板Flip chip UV-LED特性分析 44
4-2圖案化基板Flip chip UV-LED晶格品質分析 48
4-3圖案化基板Flip chip UV-LED光電特性分析 49
4-3-1圖案化基板Flip chip UV-LED電性分析 49
4-3-2圖案化基板Flip chip UV-LED光性分析 51
4-4圖案化基板Flip chip UV-LED光場分析 54
第五章 結論 56
參考文獻 58


圖目錄
圖1.1 LED 發展歷史說明 2
圖2.1 能隙結合.復合 5
圖2.2 電子與電洞結合 5
圖2.3 間接能隙、直接能隙 6
圖2.4 MOCVD成長GaN示意圖 7
圖2.5 大陽日酸MOCVD系統整體設備圖 8
圖2.6 MOCVD系統概略圖 9
圖2.7 MOCVD系統控制面板圖 9
圖2.8 MOCVD反應腔體示意圖 9
圖2.9 X-射線繞射分析系統示意圖 10
圖2.10 電性測試機示意圖 11
圖2.11 電性測試機架構示意圖 12
圖2.12 電子顯微鏡架構示意圖 13
圖2.13 光學顯微鏡 13
圖2.14 圖案化藍寶石基板 15
圖2.15 基態離子能階 15
圖2.16 真空單位換算 16
圖2.17 壓力計 17
圖2.18 高真空泵浦 18
圖2.19 化學清洗槽 20
圖2.20 上光阻側視結構圖 21
圖2.21 光阻塗佈轉速對時間曲線 21
圖2.22 光阻塗佈機 22
圖2.23 手動曝光機 23
圖2.24 電子束蒸鍍機 25
圖2.25 蒸發用電子束工作原理 26
圖2.26 坩鍋旋轉盤 26
圖2.27 電鍍機 27
圖2.28 晶片研磨機 28
圖2.29 晶片切割機 29
圖2.30 晶片劈裂機 29
圖2.31 電流-電壓特性曲線 31
圖2.32 人眼函數曲線 31
圖2.33 Flip chip 點測機(LFP-6000) 32
圖2.34 上下積分球收光系統 32
圖3.1 SEM下400nm與365nm所使用的PSS基板規格 33
圖3.2 400nm紫外光氮化鎵發光二極體磊晶結構示意圖 35
圖3.3 365nm紫外光氮化鎵發光二極體磊晶結構示意圖 35
圖3.4 晶粒切割製程 40
圖3.5 晶粒研磨製程 41
圖3.6 晶粒拋光製程 42
圖3.7 晶粒劈裂製程 42
圖3.8 3x3mm封裝體 43
圖4.1 PSS與SSS 400nm頻譜響應 46
圖4.2 PSS與SSS 365nm頻譜響應 46
圖4.3 禁帶寬度Eg與能量的半導體的吸收係數 47
圖4.4 吸收係數α v.s. 材料能隙GaN~AlN 47
圖4.5 400nm UV-LED磊晶層結構XRD曲線 48
圖4.6 365nm UV-LED磊晶層結構XRD曲線 49
圖4.7 SSS與PSS基板在400nm電流對電壓特性曲線 50
圖4.8 SSS與PSS基板在365nm電流對電壓特性曲線 50
圖4.9 SSS與PSS基板在光譜400nm電流對亮度特性圖 52
圖4.10 SSS與PSS基板在光譜365nm電流對亮度特性圖 52
圖4.11 SSS基板光萃取示意圖 53
圖4.12 PSS基板光萃取示意圖 53
圖4.13 400nm Flip chip UV-LED 於350mA下近場光學圖 55
圖4.14 365nm Flip chip UV-LED 於350mA下近場光學圖 55


Reference
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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