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研究生：	張敏南 Chang, Ming-Nan
論文名稱：	提升氮化鎵發光二極體發光效率之研究 Improved light illumination efficiency of GaN-based LEDs
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：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	77
中文關鍵詞：	反射式電流阻擋層、氮化鎵、導光柱、圖形化藍寶石基板
外文關鍵詞：	reflective blocking layers, patterned sapphire substrate, pillar, GaN
相關次數：	點閱：66 下載：3
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本論文首先探討側邊粗化及 3 微米導光柱對氮化鎵發光二極體光電特性的影響。透過光學模擬與實驗結果可得一較好的側邊粗化程度與 3微米導光柱排列之形式。再將此條件運用在圖形化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrate，PSS)並與標準化平面藍寶石基板比較其元件光電特性上的差異。由結果顯示，此粗化製程運用在不同基板上並不會造成電性上的損壞，然而結合粗化圖形與圖形化藍寶石基板卻可大大提升元件之發光效率。再者，結合反射式金屬 p/n 電極-銀/鉻/金(Ag/Cr/Au)、側邊粗化、3 微米導光柱及圖型化藍寶石基板之氮化鎵發光二極體其光輸出功率可較傳統之氮化鎵發光二極體提升約 90%。但因銀與 n 型氮化鎵有較高的接觸電阻，導致該元件存在有較高之操作電壓。
接著我們利用銀與氮化鎵之整流特性，設計不同樣式的反射式電流阻擋層運用在 p 型氮化鎵和 ITO 薄膜之界面處。由於本實驗使用之 ITO薄膜需要經過 600oC 氮氣環境下熱處理，所以我們首先探討熱處理前後對不同反射式電流阻擋層之反射率的影響，由實驗結果發現經熱處理後，反射式電流阻擋層表面皆會結成球狀導致反射率大幅降低。接著探討反射式電流阻擋層運用在 p 型氮化鎵之接觸特性，我們發現直接蒸鍍反射式電流阻擋層-銀於 p 型氮化鎵上之接觸特性呈現接近歐姆特性曲線，但若先使用氧電漿(O2 plasma)於 p 型氮化鎵表面蝕刻 10 分鐘則可得到較佳的蕭特基特性曲線。最後，我們將三種不同樣式的反射式電流阻擋層(Ag/p-GaN、Ag/O2 plasma treated p-GaN、Ag/SiO2/p-GaN)運用在氮化鎵發光二極體上並和標準化元件進行光電特性的比較可發現，在電流20mA 注入下，發光二極體其順向導通電壓(Vf)都約在 3.0V 左右，而其光輸出功率(light output power)分別為 5.54mW、5.71mW、6.02mW 比標準化發光二極體的光輸出功率 5.26mW 各高出約 5.3%、8.5%、14.4%。
綜觀本研究藉由幾種結構上的粗化製程有效地提升光的萃取效率，進而改善外部量子效率，相信這些方法對未來追求高效率發光二極體上有莫大的幫助。

In this thesis, we had mainly investigated the light output power improvements in GaN-based light emitting diode.
First, the textured sidewall mesa and GaN micro size pillars (μ-pillars) around the mesa region were fabricated on the GaN-based LEDs. And we had demonstrated experimentally that the textured sidewall mesa and GaN μ-pillars around mesa using in LED structure could enhance light output power effectively by disrupting the waveguide mode in GaN/air interface and also in good agreement with our results of ray-tracing simulation. Moreover, when GaN-based LEDs with textured sidewall mesa, GaN μ-pillars around mesa region, patterned sapphire substrate (PSS), and highly reflective Ag/Cr/Au metal electrode pads could enhance LED output power by more than 90%, as compared to the conventional GaN-based LEDs. But the higher contact resistance determined by n+-GaN/Ag resulted in higher turn-on voltage.Following, Ag-based materials were performed as reflective current blocking layer on GaN-based LEDs owing to its higher reflection and the rectify characteristic of Ag/GaN interface. Comparing with conventional GaN-based LED, the light output power enhancement of these three types reflective current blocking layers of Ag/p-GaN, Ag/O2 plasma treated p-GaN, and Ag/SiO2/p-GaN on GaN-based LEDs were 5.3%,8.5%,and 14.4%, respectively, under the 20mA current injection.And the 20mA-forward voltage (Vf) of all LEDs were approximately at 3.0V indicating these designed reflective blocking layers between interface of indium tin oxide (ITO) film and p-GaN layer did not deteriorate the electrical properties of LEDs.
In summary, we efficiently enhanced light extraction efficiency and external quantum efficiency by texturing structure. We believed that these methods played a role on pursuing high power LEDS

目錄 
摘要.....................................................I
Abstract ...............................................III
目錄....................................................VI 
表目錄...................................................X 
圖目錄.................................................XII 
第一章    序論.......................................... 1 
參考文獻：...............................................4 
第二章    理論基礎與實驗量測系統.........................5 
2.1    理論基礎......................................... 5 
2.1.1    發光二極體(Light Emitting Diodes；LEDs)原理.....5 
2.1.2    光萃取效率(Light extraction efficiency).........6 
2.1.3    傳輸線模型原理(Transmission line model，TLM)理論8 
2.2    實驗量測系統......................................9 
2.2.1    電流-電壓量測系統...............................9 
2.2.2    發光二極體光輸出功率(Output power)量測系統......9 
2.2.3    發光二極體光強度(EL)量測系統...................10 
2.2.4    發光二極體二維光強度影像分佈量測系統...........10 
2.2.5    反射率量測系統.................................11
參考文獻................................................16
第三章    側邊粗化、3 微米導光柱及金屬反射式電極運用在氮化鎵發光二極體之製程與光電特性研究........................17 
3.1    側邊粗化及 3 微米導光柱運用在氮化鎵發光二極體之製程......................................................17 
3.1.1    氧化銦錫(ITO)透明導電層(Transparent Contact Layer；TCL )之製程......................................17 
3.1.3    發光二極體黃光製程.............................18 
3.1.3    濕蝕刻(Wet etching) ...........................20 
3.1.4    高台蝕刻(Mesa etching).........................20 
3.1.5    熱處理(Thermal annealing) .....................21 
3.1.6    蒸鍍 p-n 電極..................................21 
3.2    側邊粗化及 3 微米導光柱運用在氮化鎵發光二極體之探討......................................................23 
3.2.1    不同樣式的側邊粗化及 3 微米導光柱圖形在發光二極體上之光學模擬討..........................................23 
3.2.2    發光二極體上具有不同樣式的側邊粗化及 3 微米導光柱之光電特性研究......................................... 25 
3.3    側邊粗化、3 微米導光柱及金屬反射式電極運用在氮化......................................................29 
鎵發光二極體之光電特性研究..............................29 
3.3.1    側邊粗化及 3 微米導光柱運用於氮化鎵發光二極體對光電性之影響......................................................29
3.3.2    金屬反射式電極運用於氮化鎵發光二極體對光電性之影
響......................................................33 
3.4    結果與分析.......................................35 
參考文獻................................................38 
第四章    反射式電流阻擋層運用在氮化鎵發光二極體之製程與光電特性研究..............................................53 
4.1    熱處理溫度對反射式電流阻擋層之反射率探討.........54 
4.1.1    金屬反射鏡製程.................................54 
4.1.2    熱處理前後金屬反射率之探討.....................54 
4.2    氧電漿蝕刻對反射式電流阻擋層於 P 型氮化鎵上之接觸特性探討..................................................57 
4.2.1    反射式電流阻擋層之 TLM 製程 ...................57 
4.2.2    氧電漿蝕刻作用於反射式電流阻擋層與 p 型氮化鎵之接觸特性探討..............................................58 
4.3    反射式電流阻擋層運用在氮化鎵發光二極體之製程.....59 
4.4    反射式電流阻擋層運用在氮化鎵發光二極體之光電特性研究......................................................60 
4.5    結論與分析.......................................62 
參考文獻：............................................. 65 
第五章    結論與未來展望................................74 
表目錄 
表 3-1    四種不同樣式粗化之發光二極體示意圖............39 
表 3-2    側邊粗化和 3 微米導光柱於發光二極體之高倍俯視圖......................................................39 
表 3-3    標準片與具有導光柱結構之發光二極體側面結構示意圖......................................................40 
表 3-4    模擬四種不同樣式粗化之發光二極體的光線散佈情形40 
表 3-5    光學顯微鏡下四種不同樣式粗化的發光二極體......41 
表 3-6    SEM 下傾斜 30 度的側邊粗化樣式和 3 微米導光柱的排列形式圖................................................41 
表 3-7    四種不同樣式粗化之發光二極體光電特性與模擬結果比較......................................................42 
表 3-8    模擬兩種不同樣式粗化在不同基板下之發光二極體光散佈情形..................................................42 
表 3-9    四種不同樣式粗化之發光二極體光線路徑示意圖....43 
表 3-10    具有鉻/金金屬電極下四種不同樣式粗化之發光二極體光電特性................................................44 
表 3-11    發光二極體在不同電流注入下的二維光強度影像分佈圖......................................................44 
表 3-12    具有銀/鉻/金和鉻/金金屬電極於發光二極體之光電特性表....................................................45 
表 3-13    在不同電流注入下，具有銀/鉻/金金屬電極之發光二極體的二維光強度影像分佈圖................................46 
表 3-14    具有銀/鉻/金金屬電極之發光二極體的光線路徑示意圖......................................................46 
表 4-1    不同樣式的金屬反射鏡之反射率量測示意圖........66 
表 4-2    熱處理前金屬反射鏡放大 10000 倍之 SEM 圖......67 
表 4-3    經過 600℃熱處理後，金屬反射鏡放大 5000 倍之 SEM 圖......................................................67 
表 4-4    不同樣式的反射式電流阻擋層運用於發光二極體之電流和光路徑示意圖..........................................68 
表 4-5    不同類型的反射式電流阻擋層在電極間距為 10μm 之蕭特基電位能障............................................69 
表 4-6    於 20mA 電流注入下，不同類型的反射式電流阻擋層運用在發光二極體之光電特性................................69 
表 4-7    發光二極體在不同電流注入下之二維光強度影像分佈圖......................................................70 
表 4-8    反射式電流阻擋層經過 600℃熱處理後之放大 200 倍 OM 圖...................................................70
圖目錄 
圖2-1    III-V 族及II-VI 族化合物半導體之能隙(Energy Bandgap)與晶格常數(Lattice Constant)關係圖[1] ..........12 
圖 2-2    P-N 接面在順向偏壓下載子流動示意圖............12 
圖 2-3    電阻 RT 與間距 d 之關係圖.....................13 
圖 2- 4    積分球之工作原理示意圖.......................13 
圖 2-5    光強度(EL)量測系統示意圖......................14 
圖 2-6  二維光強度影像分佈量測系統配置圖................14 
圖 2-7    反射率量測工作原理示意圖......................15 
圖 3-1    四種不同樣式粗化之發光二極體的電流-電壓特性圖.47 
圖 3-2    四種不同樣式粗化之發光二極體的電流與光輸出功率和外部量子效率關係圖......................................47 
圖 3-3    四種不同樣式粗化之發光二極體的光強度比較圖....48 
圖 3-4    在 20mA 電流注入下，四種不同樣式粗化之發光二極體電激發光光譜圖..........................................48 
圖 3-5    鉻/金金屬電極於四種不同樣式粗化之發光二極體的電流-電壓特性圖...........................................49 
圖 3-6    鉻/金金屬電極於四種不同樣式粗化之發光二極體電流與光輸出功率關係圖........................................49 
圖 3-7    鉻/金金屬電極於四種不同樣式粗化之發光二極體的光強度比較圖................................................50 
圖 3-8    四種不同樣式粗化之發光二極體的光衰減長度比圖..50 
圖 3-9    銀/鉻/金和鉻/金金屬電極分別於發光二極體上之電流-電壓和動態電阻特性圖....................................51 
圖 3-10    銀/鉻/金和鉻/金金屬電極分別於發光二極體上之電流與光輸出功率和外部量子效率關係圖........................51 
圖 3-11    銀/鉻/金和鉻/金金屬電極分別於發光二極體上之光強度比較圖................................................52 
圖 4-1    熱處理前不同樣式之金屬反射鏡的波長與反射率關係圖......................................................71 
圖 4-2    熱處理後不同樣式之金屬反射鏡的波長與反射率關係圖......................................................71 
圖4-3    不同類型的反射式電流阻擋層在電極間距為10μm 之電流-電壓特性圖...........................................72 
圖 4-4    四種不同結構之發光二極體的電流-電壓特圖.......72
                                    

參考文獻：
第一章
[1]T. Mukai, M. Yamada and S. Nakamura, “Characteristics of InGaN-Based UV/Blue/Green/Amber/Red Light-Emitting Diodes,” Jpn. J. Appl. Phys. Lett., vol. 38, pp. 3976, 1999.
[2]T. Mukai,M. Yamada and S. Nakamura,“Current and Temperature Dependences of Electroluminescence of InGaN Based UV/Blue/Green Light-Emitting Diodes,Jpn.J.Appl.Phys.Lett.,vol.37, pp. 1358, 1998.
[3]T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, E. L. Hu, S. P. DenBaars and S. Nakamura, “Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, pp. 855, 2004.
[4]S. I. Na, G. Y. Ha, D. S. Han, S. S. Kim, J. Y. Kim, J. H. Lim, D. J. Kim, K. I. Min and S. J. Park“Selective wet etching of p-GaN for efficient GaN-based light-emitting diodes,”IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 18, pp. 1512, 2006.
[5]C. H. Kuo, C. C. Lin, S. J. Chang, Y. P. Hsu, J. M. Tsai, W. C. Lai and P. T. Wang, “Nitride-based light-emitting diodes with p-AlInGaN surface layers,” IEEE Electron. Dev. Lett., vol. 52, pp. 2346, 2005.
[6]J. K. Sheu, C.M.Tsai, M. L. Lee, S.C.Shei, and W.C.Lai, “InGaN light-emitting diodes with naturally formed truncated micropyramids on top surface,” Appl. Phys. Lett., vol. 88, pp. 113505, 2006.
[7]C. M. Tsai, J. K. Sheu, W. C Lai, Y. P. Hsu, P. T. Wang, C. T. Kuo, C. W. Kuo, S. J. Chang, and Y. K. Su, “Enhenced output power in GaN-based LEDs with naturally textured surfaced growtn by MOCVD,” IEEE Electron. Dev. Lett., vol. 26, pp. 464, 2005.
[8]C. H. Kuo, S. J Chang, Y. K. Su, R. W. Chuang, C. S. Chang, L. W. Wu, W. C. Lai, J. F. Chen, J. K. Sheu, H. M. Lo and J. M. Tsai, “Nitride-based near-ultraviolet LEDs with an ITO transparent contact,” Materials Science and Engineering B vol. 106, pp. 69, 2004.
[9]C. J. Tun, J. K. Sheu, B. J. Pong, M. L. Lee, M. Y. Lee, C. K. Hsieh, C. C. Hu, and G. C. Chi, “Enhanced light output of GaN-based power LEDs with transparent Al-doped ZnO current spreading layer,” IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 18, p. 274, 2006.
[10]T. Kim, A. J. Danner, and K. D. Choquette, “Enhancement in external quantum efficiency of blue light-emitting diode by photonic crystal surface grating,” Electronics Lett., vol. 41, No. 20, 2005.
[11]J. J. Wierer, M. R. Krames, J. E. Epler, N. F. Gardner, M. G. Craford, J. R. Wendt, J. A. Simmons, and M. M. Sigalas, “InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, pp. 3885, 2004.
第二章
[1].史光國, 半導體發光二極體及固態照明,全華科技圖書股份有限公司, 2006
[2].史光國, 現代半導體發光及雷射二極體材料技術,全華科技圖書股份有限公司, 2001
[3].施敏, 半導體元件物理與製作技術,國立交通大學出版社, 2002
第三章
[1] J. K. Sheu,_I-Hsiu Hung, W. C. Lai, S. C. Shei, and M. L. Lee, “Enhancement in output power of blue gallium nitride-based light-emitting diodes with omnidirectional metal reflector under electrode pads,” Appl. Phys. Lett., vol.93, pp.103507, 2008.
[2] R. Windisch et.al “Light-emitting diodes with 31% external quantum efficiency by outcoupling of lateral waveguide modes,” Appl. Phys. Lett., vol.74, no16, 1999.
第四章
[1]吳民耀、劉威志, “表面電漿子理論與模擬”, 物理雙月刊, 廿八卷二期,2006
[2]J. Yan, M.J. Kappers, Z.H. Barber, C.J. Humphreys, “Effects of oxygen plasma treatments on the formation of ohmic contacts to GaN”, Applied Surface Science 234 328-332, 2004

校內：2011-07-30公開
校外：2012-07-30公開

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