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研究生: 彭立琪
Peng, Li-chi
論文名稱: 氧化鋅鋁摻雜釔之透明導電薄膜材料特性與其應用在氮化鎵藍色發光二極體之研究
Characteristics of AZO:Y2O3 transparent conducting thin films and theirs application on GaN-based Light Emission Diode
指導教授: 賴韋志
Lai, Wei-chi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 氧化鋅鋁摻雜釔氮化鎵透明導電薄膜
外文關鍵詞: GaN, AZO:Y2O3, transparent conductive thin films
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  • 本論文是針對氧化鋅鋁摻雜釔(AZO:Y2O3;AZO:Y)之透明導電薄膜,對其光電特性進行一系列的量測分析,以其在P型氮化鎵(P-GaN)上之歐姆接觸特性研究,並將此薄膜成長在氮化鎵藍色發光二極體上與傳統之透明導電膜-氧化銦錫(ITO)相互比較,探討其光電特性之差異。
    本實驗採用的是濺鍍(sputtering)系統來成長薄膜。由實驗可得,當直流功率為150瓦成長之AZO:Y薄膜,在氮氣環境下700℃熱處理1分鐘時,有最低電阻率為6.898×10-4Ω-cm,而遷移率(mobility)為25.1cm2/V-s及載子濃度(carrier concentration)為-3.61×1020cm-3。經熱處理後,在可見光波段380nm~700nm,其平均穿透率皆可高於85%。且其光吸收邊界(optical absorption band)有明顯的藍移(blue shift)現象,此現象乃是因載子濃度的提高所造成的柏斯坦-摩斯效應(Burstein-Moss effect)。
    將所得之AZO:Y薄膜作為P型氮化鎵上之透明電極,與傳統之ITO透明電極比較。AZO:Y薄膜直接成長在P型氮化鎵上無法得到線性之歐姆接觸特性,但在700℃熱處理1分鐘時,有最佳之電流-電壓特性,其特徵接觸電阻(ρc)為1.45×10-1Ω-cm2。ITO透明電極在氮氣環境下600℃熱處理5分鐘時,有線性之歐姆接觸特性,其特徵接觸電阻(ρc)為7.80×10-2Ω-cm2。
    經由比較不同的透明導電膜(ITO、AZO:Y、ITO/AZO:Y)在氮化鎵藍色發光二極體上之光電特性可發現。在20mA注入下,ITO與AZO:Y發光二極體其順向導通電壓(Vf)分別為3.37V與3.55V,且其光輸出功率(light output power)分別為3.59mW與3.96mW。AZO:Y發光二極體其導通電壓約只高出ITO發光二極體0.2V,但其光輸出功率則增加了約10%。
    藉由在p-GaN與AZO:Y透明導電膜之間,成長一層ITO可有效的改善歐姆接觸特性,進而降低發光二極體之導通電壓。在20mA注入時,ITO/AZO:Y發光二極體其順向導通電壓(Vf)為3.2V比AZO:Y發光二極體 Vf為3.55V,可成功降低約0.35V。
    經由本研究可知,AZO:Y薄膜因具有高光穿透率與良好之電流散佈效果,因此可替代氧化銦錫(ITO)來當成透明導電膜應用在氮化鎵發光二極體(GaN-based LED)上的潛力。

    In this study, transparent and conductive AZO:Y2O3 (AZO:Y) thin films are performed as the potential transparent contact layer on nitride-based light emitting diodes.
    When the DC power of 150W, it showed a lowest resistivity of 6.89×10-4 Ω-cm and a carrier concentration of 3.61×1020 cm-3 and a mobility of 25.1 cm2/V-s that the thermal annealing at 700C for 1 min in nitrogen ambient. And the AZO:Y films showed high transmittance (>85%) in the visible wavelength range after thermal annealing.
    We had demonstrated the AZO:Y films and ITO films as ohmic contacts on p-type GaN . The I-V characteristic of AZO:Y contact on p-GaN was not a perfect ohmic property after thermal annealing. And the ITO contact on p-GaN was an ohmic property after thermal annealing at 600°C for 5min in nitrogen ambient. The lowest specific contact resistance of AZO:Y and ITO contact on p-GaN was 1.45×10-1 and 7.8×10-2Ω-cm2, respectively.
    GaN-based LEDs with ITO and AZO:Y contact layers were fabricated for the optoelectrical characteristics study. The forward voltage (light output power) was 3.375 V (3.59mW) and 3.55 V (3.96mW) for the LEDs with ITO and AZO:Y contact layer under 20mA current injection, respectively. The forward voltage of the LED with AZO:Y contact layer was slightly higher 0.2V than the LED with ITO contact under 20mA current injection. However, the light output power of the LED with AZO:Y contact layer is larger 10% than the LED with ITO contact under 20mA current injection.
    Inserting the ITO contact layer between p-GaN and AZO:Y can be improved the electrical properties of LEDs. The forward voltage of LED with ITO/AZO:Y contact layer was 3.2V under 20mA current injection and was successfully 0.35V lower than the LED with AZO:Y contact.
    These results revealed that the AZO:Y film is promising as alternative to ITO for transparent electrode application on GaN-based light-emitting diode.

    中文摘要............................................................................................................ I 英文摘要..........................................................................................................III 致謝...................................................................................................................V 表目錄............................................................................................................. IX 圖目錄............................................................................................................. XI 第一章 序論 1 參考文獻 4 第二章 實驗原理與量測系統 5 2.1 實驗原理 5 2.1.1 氧化鋅(ZnO)薄膜特性 5 2.1.2 濺鍍原理 6 2.1.3 霍爾效應量測原理 8 2.1.4 光激發螢光光譜原理 9 2.1.5 傳輸線模型理論(Transmission line model,TLM) 10 2.2 量測系統 11 2.2.1 電流-電壓量測系統 11 2.2.2 光激發螢光光譜量測系統 12 2.2.3 發光二極體二維光強度影像分佈量測系統 12 2.2.4 發光二極體光強度(EL)量測系統 13 參考文獻 14 第三章 透明導電薄膜氧化鋅鋁摻雜釔之製程與材料特性研究 24 3.1 AZO:Y薄膜製程 24 3.1.1 樣品清洗 24 3.1.2 濺鍍製程 25 3.1.3 熱處理製程 26 3.2 AZO:Y透明導電薄膜光電特性之研究 27 3.2.1 濺鍍功率對AZO:Y薄膜厚度之影響 27 3.2.2 熱處理溫度對AZO:Y薄膜電性之影響 28 3.2.3 熱處理溫度對AZO:Y薄膜穿透率之影響 28 3.2.4 AZO:Y薄膜光激發螢光光譜量測分析 30 3.2.5 熱處理溫度對AZO:Y薄膜表面型態之影響 31 3.3 結論與分析 31 參考文獻 33 第四章 透明導電薄膜在P型氮化鎵上之歐姆接觸製程與特性研究46 4.1 透明導電薄膜在P型氮化鎵上之TLM製程 46 4.1.1 氧化銦錫(ITO) 在P型氮化鎵上之TLM製程 46 4.1.2 AZO:Y在P型氮化鎵上之TLM製程 49 4.2 透明導電薄膜在P型氮化鎵上之歐姆接觸特性研究 51 4.2.1 氧化銦錫(ITO)在P型氮化鎵上之歐姆接觸特性研究 51 4.2.2 AZO:Y在P型氮化鎵上之歐姆接觸特性研究 51 4.3 結論與分析 52 第五章 透明導電薄膜應用在氮化鎵發光二極體上之製程與特性研究 60 5.1 透明導電薄膜在氮化鎵發光二極體上之製程 60 5.1.1 氧化銦錫(ITO)在氮化鎵發光二極體上之製程 61 5.1.2 AZO:Y在氮化鎵發光二極體上之製程 63 5.1.3 ITO/AZO:Y在氮化鎵發光二極體上之製程 64 5.2 透明導電薄膜在氮化鎵發光二極體上之光電特性研究 67 5.3 結論與分析 72 第六章 結論與未來展望 84 表目錄 表3 - 1不同量測系統下AZO:Y薄膜之膜厚 34 表4 - 1在p-GaN上的ITO,在不同溫度熱處理5分鐘下之特徵接觸電 阻值 54 表4 - 2在p-GaN上的ITO,在固定熱處理溫度600°C時,不同熱處理時間之特徵接觸電阻值 54 表4 - 3在p-GaN上的AZO:Y,在不同溫度熱處理1分鐘下之特徵接觸電阻值 55 表5 - 1不同透明導電膜之薄膜特性 74 表5 - 2不同透明導電膜之發光二極體,在20mA之順向導通電壓值74 表5 - 3不同透明導電膜之發光二極體,在20mA之光輸出功率與外部量子效率值 74 表5 - 4不同透明導電膜之發光二極體二維光強度影像分佈圖 75 表5 - 5不同熱處理機制之ITO/AZO:Y發光二極體,在20mA之順向導通電壓值 75 表5 - 6不同熱處理機制之ITO/AZO:Y發光二極體,在20mA之光輸出功率與外部量子效率值 76 表5 - 7不同熱處理機制之ITO/AZO:Y發光二極體二維光強度影像分佈圖 76 表5 - 8不同熱處理機制之ITO/AZO:Y薄膜特性 77 圖目錄 圖2 - 1氧化鋅之纖鋅礦結構(Wurzite hexagonal structure) 15 圖2 - 2濺射原理圖 16 圖2 - 3濺鍍系統示意圖 17 圖2 - 4濺鍍機基本結構圖 18 圖2 - 5霍爾量測原理圖 19 圖2 - 6電阻RT與間距d之關係圖 20 圖2 - 7光激發螢光(PL)量測系統示意圖 21 圖2 - 8二維光強度分佈影像量測系統配置圖 22 圖2 - 9光強度系統量測配置圖 23 圖3 - 1濺鍍功率與薄膜濺鍍速率之關係圖 35 圖3 - 2 AZO:Y薄膜熱處理溫度與電阻率關係圖 35 圖3 - 3 AZO:Y薄膜熱處理溫度與載子遷移率關係圖 36 圖3 - 4 AZO:Y薄膜熱處理溫度與載子濃度關係圖 36 圖3 - 5 DC power 50W,AZO:Y薄膜熱處理溫度與穿透率關係圖 37 圖3 - 6 DC power 100W,AZO:Y薄膜熱處理溫度與穿透率關係圖 37 圖3 - 7 DC power 150W,AZO:Y薄膜熱處理溫度與穿透率關係圖 38 圖3 - 8 DC power 200W,AZO:Y薄膜熱處理溫度與穿透率關係圖 38 圖3 - 9柏斯坦-摩斯效應(Burstein-Moss effect)示意圖 39 圖3 - 10不同瓦數成長之AZO:Y薄膜熱處理溫度與光能隙關係圖 39 圖3 - 11 DC power 50W,不同熱處理溫度之AZO:Y薄膜PL光譜圖 40 圖3 - 12 DC power 100W,不同熱處理溫度之AZO:Y薄膜PL光譜圖 40 圖3 - 13 DC power 150W,不同熱處理溫度之AZO:Y薄膜PL光譜圖 41 圖3 - 14 DC power 200W,不同熱處理溫度之AZO:Y薄膜PL光譜圖 41 圖3 - 15 SEM拍攝之AZO:Y DC50W薄膜表面(a)as-deposited (b)氮氣環境下700°C熱處理1分鐘 42 圖3 - 16 SEM拍攝之AZO:Y DC100W薄膜表面(a)as-deposited (b)氮氣環境下700°C熱處理1分鐘 43 圖3 - 17 SEM拍攝之AZO:Y DC150W薄膜表面(a)as-deposited (b)氮氣環境下700°C熱處理1分鐘 44 圖3 - 18 SEM拍攝之AZO:Y DC150W薄膜表面(a)as-deposited (b)氮氣環境下700°C熱處理1分鐘 45 圖4 - 1在p-GaN上之ITO,在TLM間距為10μm時,不同溫度熱處理5分鐘後電流-電壓特性曲線圖 56 圖4 - 2在p-GaN上之ITO,在固定時間為5分鐘時,不同溫度熱處理之特徵接觸電阻值比較 57 圖4 - 3在p-GaN上之AZO:Y,在TLM間距為10μm時,不同溫度熱處理1分鐘後電流-電壓特性曲線圖 58 圖4 - 4不同透明導電膜(AZO:Y、ITO)在p-GaN上,在TLM間距為10μm時,電流-電壓特性曲線圖 59 圖5 - 1發光二極體之結構圖 78 圖5 - 2不同透明導電膜之發光二極體電流-電壓特性曲線圖 78 圖5 - 3不同透明導電膜之發光二極體串聯電阻圖 79 圖5 - 4不同透明導電膜之發光二極體光輸出功率-電流特性曲線圖79 圖5 - 5不同透明導電膜之發光二極體,在20mA之電激發光光譜圖80 圖5 - 6不同透明導電膜之穿透率光譜圖 80 圖5 - 7不同熱處理機制之ITO/AZO:Y發光二極體電流-電壓特性曲線圖 81 圖5 - 8不同熱處理機制之ITO/AZO:Y發光二極體光輸出功率-電流特性曲線圖 81 圖5 - 9不同熱處理機制之ITO/AZO:Y發光二極體,在20mA之電激發光光譜圖 82 圖5 - 10不同熱處理機制之ITO/AZO:Y薄膜之穿透率光譜圖 82 圖5 - 11 光線在界面處所產生之反射及折射現象示意圖 83

    第一章
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    第三章
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    下載圖示 校內:2009-08-13公開
    校外:2009-08-13公開
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