臺灣博碩士論文加值系統

本實驗將氧化銦錫(ITO)透明導電膜應用在閘流體發光二極體(LED)元件上，藉此提升傳統金屬閘流體LED元件的特性。為了探討ITO透明導電膜對光電特性造成的影響，本研究製作了金屬閘流體LED元件及ITO閘流體LED元件。在ITO製程之前，閘流體磊晶晶片表面必須先沉積一層n+GaAs以形成良好的歐姆接觸。在電特性方面，金屬及ITO閘流體LED元件的I-V特性量測結果均呈現閘流體元件特有的S形曲線，金屬閘流體LED元件的開啟電壓(Von)、開啟電流(Ion)、維持電壓(Vh)及維持電流(Ih)分別為4.25 V、0.01 mA、1.13 V及0.07 mA，ITO閘流體LED元件的開啟電壓(Von)、開啟電流(Ion)、維持電壓(Vh)及維持電流(Ih)分別為10.44 V、0.01 mA、1.16 V及0.07 mA。而光特性方面，在350 mA電流注入下，封裝後的金屬閘流體LED元件之光輸出功率、外部量子效率及光萃取效率分別為11.0 mW、1.99%及44.62%，封裝後的ITO閘流體LED元件之光輸出功率、外部量子效率及光萃取效率分別為14.0 mW、2.52%及56.70%，相較於未封裝的金屬閘流體LED元件提升了27%，證明了ITO薄膜具有折射率匹配及電流擴散的效果，使ITO閘流體LED元件的光輸出功率顯著提升。而熱影像分析中，在350 mA電流注入下金屬及ITO閘流體LED元件的平均表面溫度分別為39.95及30.38 °C，驗證了ITO薄膜可以成功地改善電流擁擠效應，減少金屬電極周圍的熱累積。因此，ITO閘流體LED元件在應用方面可以有效改善自我掃描發光二極體印表機中閘流體LED印字頭的光電特性，增加光輸出功率，減少耗電量。

In this research, indium tin oxide (ITO) transparent conductive layer was deposited on the thyristor light-emitting diode device (LED) to improve the performance of thyristor LED. In order to understand the effect of ITO transparent conductive layer on the thyristor LED, the metal and ITO thyristor LED were fabricated to compare electric and light characteristic. Before ITO deposition, n+GaAs with concentration 1×1019 cm-3 was deposited by MOCVD to make good ohmic contact between ITO and the thyristor LED. After fabrication process, thyristor LED with metal and ITO exhibited unique S-shaped curve. The turn on voltage (Von), turn on current (Ion), holding voltage (Vh) and holding current (Ih) of metal thyristor LED were 4.25 V, 0.01 mA, 1.13 V and 0.07 mA, respectively. The Von, Ion, Vh and Ih of ITO thyristor LED were 10.44 V, 0.01 mA, 1.16 V and 0.07 mA, respectively. At 350 mA current injection, the output power, external quantum efficiency (EQE) and light extraction efficiency (LEE) of thyristor LED device were 11.0 mW, 1.99% and 44.66% for metal electrode; 14.0 mW, 2.52% and 56.70% for ITO electrode, respectively. The LEE of thyristor LED with ITO film showed 27% higher than that of thyristor LED with metal electrode. It verified that the efficiency of thyristor LED with ITO film could enhance the LEE due to refractive index matching and good current spreading effect of ITO thin film. The surface temperature of thyristor LED with metal electrode and ITO thin film under injection current of 350 mA were 39.95 and 30.38 °C, respectively. These results could be due to the improvement of current crowding effect. The thyristor LED with ITO thin film can enhance the performance of thyristor LED in the Self-scanning light-emitting device printer head.

目錄
致謝 i
摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機 2
1-3論文架構 3
第二章 S-LED印表機之文獻回顧及運作原理 4
2-1電子顯像印表機的進展 4
2-1-1雷射印表機 6
2-1-2 LED印表機 6
2-1-3 S-LED印表機 7
2-2閘流體元件的原理與應用 9
2-2-1閘流體元件的基本原理 9
2-2-2閘流體元件的電特性 12
2-2-3閘極觸發閘流體元件 16
2-3電流擴散理論 18
2-4發光二極體的發光效率 20
2-4-1光電轉換效率(WPE) 20
2-4-2內部量子效率(IQE) 20
2-4-3光萃取效率(LEE) 20
2-4-4外部量子效率(EQE) 23
第三章 實驗步驟及量測儀器 24
3-1閘流體LED元件之磊晶結構 24
3-2閘流體LED元件之製作流程 25
3-2-1金屬閘流體LED元件 25
3-2-2 ITO閘流體LED元件 26
3-2-3試片清洗(Thyristor wafer cleaning) 28
3-2-4陰極電極製作及歐姆接觸 29
3-2-5閘極平台蝕刻(Gate mesa etching) 30
3-2-6閘極電極製作及歐姆接觸(AuBe/Au deposition & annealing) 30
3-2-7定義閘流體LED元件之晶粒大小(Isolation etching) 30
3-2-8外連線金屬電極製作(Ti/Al/Ti/Au deposition) 31
3-2-9陽極背電極之研磨與製作(CMP & Cr/Au deposition) 31
3-2-10切割及封裝 32
3-3量測設備與原理 33
3-3-1光電特性量測系統 33
3-3-2 TLM特徵電阻量測 33
3-3-3 CTLM特徵電阻量測 35
3-3-4積分球 36
3-3-5 IS量測系統 37
第四章 實驗結果與探討 38
4-1閘流體LED元件之歐姆接觸特性 38
4-1-1陰極n-GaAs/AuGe接面之歐姆接觸特性 38
4-1-2閘極p-AlGaAs/AuBe接面之歐姆接觸特性 38
4-1-3陰極n+-GaAs/ITO接面之歐姆接觸特性 41
4-1-4陽極p-GaAs/Cr接面之歐姆接觸特性 44
4-2金屬閘流體LED元件之光電特性 45
4-2-1金屬閘流體LED元件之陰極-陽極I-V特性(IAK-VAK) 45
4-2-2金屬閘流體LED元件之閘極-陰極I-V特性(IGK-VGK) 46
4-2-3金屬閘流體LED元件之光輸出功率 47
4-2-4金屬閘流體LED元件之波長偏移 48
4-2-5金屬閘流體LED元件之外部量子效率及光萃取效率 49
4-2-6金屬閘流體LED元件之光形量測 50
4-3 ITO閘流體LED元件之光電特性 51
4-3-1 ITO閘流體LED元件之陰極-陽極I-V特性(IAK-VAK) 51
4-3-2 ITO閘流體LED元件之閘極-陰極I-V特性(IGK-VGK) 52
4-3-3 ITO閘流體LED元件之光輸出功率 53
4-3-4 ITO閘流體LED元件之波長偏移 54
4-3-5 ITO閘流體LED元件之外部量子效率及光萃取效率 55
4-3-6 ITO閘流體LED元件之光形量測 57
4-4閘流體LED元件之電流均勻度分析 58
4-4-1閘流體LED元件之熱影像分析 58
4-4-2閘流體LED元件之電流擴散分析 59
4-5閘極偏壓對閘流體LED元件S形曲線之影響 61
4-5-1不同閘極偏壓下金屬閘流體LED元件之S形曲線 61
4-5-2不同閘極偏壓下ITO閘流體LED元件之S形曲線 63
第五章 結論與未來展望 65
5-1結論 65
5-2未來展望 66
參考文獻 67

表目錄
表2-1 噴墨印表機、雷射印表機及LED印表機的比較 8
表4-1 金屬與ITO閘流體LED元件之陰極-陽極I-V特性 52
表4-2 金屬與ITO閘流體LED元件之閘極-陰極I-V特性 53
表4-3 不同閘流體LED元件之光輸出功率 54
表4-4 不同閘流體LED元件之發光波長峰值及波長偏移量 55
表4-5 不同閘流體LED元件之內部量子效率、光萃取效率及光衰退程度 56
表4-6 不同閘流體LED元件在350 mA電流注入下之發散角 57
圖目錄
圖2-1 電子顯像印表機的內部結構 5
圖2-2 雷射印表機的內部結構 6
圖2-3 LED印表機的內部結構 7
圖2-4 S-LED印表機的內部結構 8
圖2-5 閘流體元件之結構示意圖 10
圖2-6 不考慮閘極的情況下閘流體元件之等效電路 10
圖2-7 閘流體元件的I-V特性 13
圖2-8 閘流體元件在不同運作狀態下的空乏區分布及工作點 15
圖2-9 考慮閘極時閘流體元件之等效電路 17
圖2-10 不同閘極電流注入的情況下閘流體元件的I-V特性 17
圖2-11 垂直型pn接面注入電流之擴散示意圖 19
圖3-1 閘流體元件的磊晶結構 24
圖3-2 金屬閘流體LED元件之製作流程 26
圖3-3 ITO閘流體LED元件之製作流程 28
圖3-4 TLM量測模型(a)俯視圖(b)側視圖 35
圖3-5 CTLM量測模型(a)俯視圖(b)側視圖 36
圖4-1陰極n-GaAs/AuGe接面之特徵電阻分析 39
圖4-2 閘極p-AlGaAs/AuBe接面之特徵電阻分析 40
圖4-3 陰極n-GaAs/ITO接面在不同退火條件下之I-V特性 41
圖4-4 陰極n+-GaAs/ITO接面在不同退火條件下之I-V特性 42
圖4-5 CTLM光罩示意圖 43
圖4-6 陰極n+-GaAs/ITO接面之CTLM分析 43
圖4-7 陽極p-GaAs/Cr接面之CTLM分析 44
圖4-8 金屬閘流體LED元件之陰極-陽極I-V特性 45
圖4-9 金屬閘流體LED元件之閘極-陰極I-V特性(a)順向偏壓(b)逆向偏壓 46
圖4-10 金屬閘流體LED元件在不同電流注入下之光輸出功率 48
圖4-11 金屬閘流體LED元件在不同電流注入下之發光波長峰值 49
圖4-12 金屬閘流體LED元件在不同電流注入下之外部量子效率 50
圖4-13 金屬閘流體LED在350 mA電流注入下之遠場光形分布 50
圖4-14 ITO閘流體LED元件之陰極-陽極I-V特性 51
圖4-15 ITO閘流體LED元件閘極與陰極間之I-V特性 52
圖4-16 ITO閘流體LED元件在不同電流注入下之光輸出功率 54
圖4-17 ITO閘流體LED元件在不同電流注入下之發光波長峰值 55
圖4-18 ITO閘流體LED元件在不同電流注入下之外部量子效率 56
圖4-19 ITO閘流體LED元件在350 mA電流注入下遠場光形分布 57
圖4-20閘流體LED元件在350 mA電流注入下之熱影像分布 58
圖4-21閘流體LED元件之光強度分布 59
圖4-22金屬閘流體LED元件在不同閘極偏壓下之陰極-陽極I-V特性 62
圖4-23 ITO閘流體LED元件在不同閘極偏壓下之陰極-陽極I-V特性 64

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