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研究生: 藍成均
Lan, Cheng-Jiun
論文名稱: 利用導光柱、反射式電極及網狀透明導電膜結構增加氮化鎵系列藍光發光二極體光輸出功率之研究
Enhancement in output power of blue GaN-based light emitting diodes with pillar waveguide and Ag reflector electrode pad and TCL mesh-textured structure
指導教授: 許進恭
Sheu, Jinn-Kong
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: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 83
中文關鍵詞: 氮化鎵發光二極體導光柱反射式電極
外文關鍵詞: reflective electrode pad, GaN, LEDs, Pillar waveguide
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  • 本論文主要針對具有微米導光柱、反射式電極(Ag/Cr/Au)以及透明導電層氧化銦錫(ITO)/氧化鋅鎵(GZO)表面網狀粗化結構應用於氮化鎵發光二極體之製作與研究。
    在電極部分,我們利用未經合金處理之傳統電極(鉻/金)以及反射式電極(銀/鉻/金)作為LEDs之金屬電極,首先探討金屬接觸於N型氮化鎵上之歐姆接觸特性研究。由實驗可知,傳統電極(Cr/Au)以及反射式電極(Ag/Cr/Au) 在N型氮化鎵上皆具有良好的歐姆接觸特性,特徵接觸電阻值(ρ_c)皆能達到~10^(-4)Ω-cm^2。而在光特性部分,由於傳統電極通常由不透光或低反射率的金屬構成,其電極面積會遮蔽或吸收來自多重量子井(MQW)的光源,所以我們利用反射式電極的高反射率特性,避免光子被電極遮蔽或吸收,進而提升光萃取效率。接著,為了進一步提升光萃取效率,透過黃光微影的方式,經過乾蝕刻及濕蝕刻,分別在發光二極體的周圍形成微米導光柱以及在ITO/GZO薄膜表面形成網狀粗化結構。
    為了能夠顯著的提升光萃取效率,我們將上述方法應用於LEDs。首先我們利用ITO/GZO當作透明導電層,在GZO薄膜表面作網狀粗化結構,由實驗可知,在20mA電流注入下,ITO/mesh GZO LED其光輸出功率相較於傳統ITO/Planar GZO LED增加20.6%,進一步的加入反射式電極取代傳統電極,更可將光輸出功率增加至32.9%。
    接著我們利用同樣的實驗方式,將這兩種結構應用於尺寸大小為575×250μm^2的LED上,在20mA電流注入下,ITO/mesh GZO LED其光輸出功率相較於傳統ITO/Planar GZO LED增加20.9%,進一步的加入反射式電極取代傳統電極,可將光輸出功率增加至29.4%。
    為了要更進一提升光輸出功率,在元件周圍加入微米導光柱,與ITO/GZO薄膜表面網狀粗化結構及反射式電極結合,在20mA電流注入下,將光輸出功率增加百分比由29.4%提升至38.6%。
      綜合上述,具有微米導光柱、反射式電極及ITO/GZO表面網狀粗化結構應用於發光二極體上,其光輸出功率相較於傳統LED增加了38.6%,能夠有效的提升外部量子效率,而操作電壓只有些微上升0.1~0.15V。

    In this study, we demonstrated GaN-based light-emitting diodes(LEDs) with non-alloyed metal contacts on n-GaN and transparent contact layer(TCL), which was indium tin oxide and/or gallium-doped zinc oxide, to serve as the n-type electrode and the p-type electrode, respectively. The TCLs had rough surface with mesh structure. Besides, photolithography process was applied to form micro-pillar waveguide at the periphery of LEDs to enhance the light extraction efficiency. The result will be discussed in detail in this thesis.

    In this study, the non-alloyed metal contacts including Cr/Au and Ag/Cr/Au were used to serves as electrodes and reflectors at the same time. The conventional electrode pad (Cr/Au) and the reflective electrode pad (Ag/Cr/Au) deposited on n-GaN layer can exhibit Ohmic characteristics on n-GaN. The specific contact resistance(ρ_c) was as low as ~10^(-4)Ω-cm^2. The non-alloyed metal contacts(Ag/Cr/Au) used in the present experimental blue LEDs also play the role of reflector to prevent the emitted light from absorption by the opaque electrode pads(Cr/Au) with low reflectivity.

    The experiments implemented by the above-mentioned schemes exhibited a marked enhancement in light-extraction efficiency, and their electrical properties were comparable with the conventional LEDs. With an injection current of 20mA, the light output power of the ITO/mesh GZO LEDs can be markedly improved by 20.6% of magnitude as compared to the conventional ITO/planar GZO LEDs. Furthermore, the enhancement can be boosted to 32.9% if the Cr/Au electrode pads were replace by the reflective Ag/Cr/Au electrode pads.

    The same experiment were also performed to GaN-based LEDs with different sizes which chip size was 575×250 μm^2. With an injection current of 20mA, the light output power of the ITO/mesh GZO LEDs can be markedly improved by 20.9% of magnitude as compared to the conventional ITO/planar GZO LEDs. Similarly, the enhancement can be further boosted like the technique was used in the LEDs with chip size of 300×300 μm^2. The enhancement in light output power was as high as 29.4% of magnitude if the Cr/Au electrode pads were replace by the reflective Ag/Cr/Au electrode pads.

    In order to further increase the light output power, micro-pillar waveguides at the periphery of LEDs were implemented. As a result, the light output power is boosted to 38.6%.

    In summary, we had demonstrated GaN-based LEDs with micro-pillar waveguides, reflective pads and roughed TCL. The light output power of the LEDs could be enhanced about 38.6% of magnitude, and the operation voltage of the LEDs had just a slightly increase of 0.1~0.15v as compared to the conventional LEDs.

    摘要 I Abstract III 致謝 V 目錄 VI 表目錄 X 圖目錄 XII 第一章 緒論 1 第二章 實驗設備及其運作原理與量測系統 5 2.1實驗設備及其運作原理 5 2.1.1 發光二極體(Light Emitting diodes;LEDs)原理 5 2.1.2感應耦合電漿離子蝕刻原理 6 2.1.3蒸鍍原理 7 2.1.4 傳輸線模型原理(Transmission line model ; TLM) 8 2.1.5 發光二極體光萃取原理 9 2.2量測系統 10 2.2.1電流與電壓(I-V)量測系統 10 2.2.2 電激發光(EL)量測系統 11 2.2.3發光二極體光輸出功率(LOP)量測系統 11 2.2.4發光二極體二維光強度影像分佈量測系統 11 第三章 實驗方法與製程步驟 17 3.1金屬反射式電極製程方法與步驟 17 3.1.1樣品清洗 17 3.2金屬反射式電極與氧化銦錫/氧化鋅鎵發光二極體製程 20 3.2.1樣品清洗 20 3.2.2氧化銦錫/氧化鋅鎵透明導電膜製程 20 3.2.3氧化銦錫/氧化鋅鎵網狀透明導電膜製程 22 3.3金屬反射式電極與氧化銦錫/氧化鋅鎵微米導光柱發光二極體製程 26 3.3.1樣品清洗 26 3.3.2氧化銦錫/氧化鋅鎵透明導電膜製程 26 3.3.3氧化銦錫/氧化鋅鎵網狀透明導電膜製程 28 第四章 實驗結果分析與討論 31 4.1金屬反射式電極之光電特性 31 4.1.1金屬反射式電極之反射率探討 31 4.1.2金屬反射式電極在N型氮化鎵上之歐姆接觸特性研究 32 4.2金屬反射式電極與透明導電層氧化銦錫/氧化鋅鎵結構應用於發光二極體之光電特性分析 33 4.2.1金屬反射式電極與透明導電層氧化銦錫/氧化鋅鎵結構應用於發光二極體之電特性分析 33 4.2.2金屬反射式電極與透明導電層氧化銦錫/氧化鋅鎵結構應用於發光二極體之光特性分析 35 4.3微米導光柱、金屬反射式電極與氧化銦錫/氧化鋅鎵結構應用於發光二極體之光電特性分析 38 4.3.1微米導光柱、金屬反射式電極與氧化銦錫/氧化鋅鎵結構應用於發光二極體之電特性分析 38 4.3.2微米導光柱、金屬反射式電極與氧化銦錫/氧化鋅鎵結構應用於發光二極體之光特性分析 39 第五章 結論與未來展望 78 5.1結論 78 5.2未來展望 79 參考文獻 81 表3-1光學顯微鏡下不同結構發光二極體元件圖 30 表4-1不同金屬蒸鍍於n-GaN上之特徵電阻值 46 表4-2ITO/GZO薄膜在不同蝕刻深度之二維發光影像圖 53 表4-3ITO/GZO薄膜在不同蝕刻深度之二維發光影像圖 54 表4-4不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之導通電壓 56 表4-5不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之串聯電阻 56 表4-6不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之發光波長 57 表4-7不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之光輸出功率 57 表4-8不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之外部量子效率 58 表4-9比較傳統電極ITO/GZO LED,不同ITO/GZO薄膜蝕刻深度及反射式電極之光輸出功率增加百分比 58 表4-10不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之功率轉換效率 59 表4-11傳統電極下,微米導光柱及ITO/GZO薄膜在不同蝕刻深度之二維發光影像圖 68 表4-12反射式電極下,微米導光柱及ITO/GZO薄膜在不同蝕刻深度之二維發光影像圖 69 表4-13不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之導通電壓 72 表4-14不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之串聯電阻 73 表4-15不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之發光波長 74 表4-16不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之光輸出功率 74 表4-17比較傳統電極ITO/GZO LED,不同ITO/GZO薄膜蝕刻深度及反射式電極之光輸出功率增加百分比 75 表4-18不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之外部量子效率 76 表4-19不同結構的發光二極體在20mA電流注入下之功率轉換效率 76 圖1-1GaN, InN and AlN 三種對光色之圖 4 圖2-1P-N 接面在熱平衡時之能帶圖 13 圖2-2P-N 接面在順向偏壓下載子流動示意圖 13 圖2-3氮化鎵與氮化銦鎵之多重量子井結構 14 圖2-4電阻值對應間距L 之曲線圖 15 圖2-5光強度系統量測配置圖 16 圖2-6積分球工作原理示意圖 16 圖4-1不同金屬蒸鍍於雙拋藍寶石基板之反射率關係圖 44 圖4-2鉻/金蒸鍍於n型氮化鎵量測不同線寬下電流電壓曲線圖 45 圖4-3銀/鉻/金蒸鍍於n型氮化鎵量測不同線寬下電流電壓曲線圖 45 圖4-4各LED之順向操作電壓電流曲線圖 46 圖4-5各LED之順向操作電壓電流曲線圖 47 圖4-6各LED之逆向操作電壓電流曲線圖 47 圖4-7各LED之逆向操作電壓電流曲線圖 48 圖4-8各LED之串聯電阻圖 48 圖4-9鉻金電極及ITO/GZO薄膜之不同蝕刻深度於20mA電激發光光譜圖 49 圖4-10銀鉻金電極及ITO/GZO薄膜之不同蝕刻深度於20mA電激發光光譜圖 49 圖4-11不同結構的發光二極體之電流-光輸出功率曲線圖 50 圖4-12 GZO 網狀粗化結構SEM量測所蝕刻的深度約為1500  51 (a)網狀結構中方塊凹槽(b)網狀結構中方塊凹槽邊緣 51 圖4-13 GZO 網狀粗化結構SEM量測所蝕刻的深度約為3000  52 (a)網狀結構中方塊凹槽(b)網狀結構中方塊凹槽邊緣 52 圖4-14 ITO/GZO LED薄膜之不同蝕刻深度於20mA的光強度比較圖 55 圖4-15具有銀鉻金電極與鉻金電極LED於20mA的光強度比較圖 55 圖4-16光由LEDs多重量子井出光後之路徑示意圖 60 圖4-17各發光二極體順向操作電壓電流曲線圖 61 圖4-18各發光二極體順向操作電壓電流曲線圖 61 圖4-19各發光二極體逆向操作電壓電流曲線圖 62 圖4-20各發光二極體逆向操作電壓電流曲線圖 62 圖4-21各LED之串聯電阻圖 63 圖4-22各LED之串聯電阻圖 63 圖4-23 ITO/GZO薄膜之不同蝕刻深度於20mA電激發光光譜圖 64 圖4-24微米導光柱及ITO/GZO薄膜之不同蝕刻深度於20mA電激發光光譜圖 64 圖4-25反射式電極及ITO/GZO薄膜之不同蝕刻深度於20mA電激發光光譜圖 65 圖4-26反射式電極、導光柱及ITO/GZO薄膜之不同蝕刻深度於20mA電激發光光譜圖 65 圖4-27不同結構的發光二極體之電流-光輸出功率曲線圖 66 圖4-28不同結構的發光二極體之電流-光輸出功率曲線圖 66 圖4-29元件周圍微米導光柱SEM圖,其直徑為5μm,間距為3μm 67 圖4-30 ITO/GZO LED薄膜之不同蝕刻深度於20mA的光強度比較圖 70 圖4-31具有銀鉻金電極與鉻金電極LED於20mA的光強度比較圖 70 圖4-32比較有無加入微米導光柱LED於20mA的光強度比較圖 71 圖4-33光由LEDs多重量子井出光後之路徑示意圖 77

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    下載圖示 校內:2012-08-10公開
    校外:2012-08-10公開
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