真空技術報告 指導老師：蔡夢華 老師 學生:李文鍚

具網狀結構之紫外光發光二極體之特性研究 紫外光發光二極體製程技術與元件特性研究 藍寶石基板之氮化鎵發光二極體特性分析

具網狀結構之紫外光發光二極體之特性研究 發光二極體之發光原理 發光二極體是一種以二極體為發光主體之光電半導體元件，通常是由元素週期表上Ⅲ-Ⅴ族，或Ⅱ-Ⅵ族元素混合形成之化合物半導體。若對發光二極體p/n兩端電極輸入電流時，p型半導體內的多數載子電洞會往n型半導體移動，而n型半導體內的多數載子電子向p型半導體游走，使的電子與電洞於接面之空乏區可相互結合，此時外加電壓稱為順向電壓（forward voltage）或是驅動電壓（drive voltage）。有幾種機制會影響順向電壓的高低，包括接觸電阻、透明導電層及p型與n型半導體內的載子濃度（carrierconcentration）及載子遷移率（carrier mobility）。電子與電洞結合的過程，使得過剩的能量以光的形式釋出能量，即為發光二極體之作用原理。

具網狀p型氮化鎵紫外光發光二極體（Meshed p-GaN LED） 元件製作 紫外光發光二極體自主動層產生的光，經過透明導電層會被ITO材料所吸收，造成輸出光功率下降，此種現象可以用Meshed ITO LED的結構加以改善材料吸收的問題已被證實。當光自主動層幅射出光時，其所經過的p型氮化鎵材料的折射係數為2.5及空氣的折射係數為1，所得到的臨界角為23.58∘。只要出射的角度大於23.58∘，光就會被反射而無法穿透至空氣中，限制了光的外部效率。因此，利用Meshed ITO LED的結構並且搭配乾式蝕刻將直徑5μm的圓孔下的p-GaN與p-AlGaN材料蝕刻去除，蝕刻深度為300nm，製作成，具網狀p型氮化鎵紫外光發光二極體（Meshed p-GaNLED），其結構如圖12所示，以減少ITO對光的吸收、p-GaN材料對光的吸收以提升光的外部效率為目的

圖12 具網狀p 型氮化鎵紫外光發光二極體（Meshed p-GaN LED）

圖13 製作完成之Meshed p-GaN LED 側視圖

圖14 製作完成之Meshed p-GaN LED 剖面圖

具網狀 p 型氮化鎵紫外光發光二極體（Meshed p-GaN LED）光電特性分析 圖24所示，為Planar ITO LED與Meshed p-GaN LED紫外光發光二極體 操作在20mA順向電流下之電激發光光譜圖。由圖中可知: (1).兩者的波峰位置皆為404nm；半高全寬（Full-Widths-at-Half-Maxima，FWHM）皆為14.5nm。 (2).Meshed p-GaN LED電激發光光強度比Planar ITO LED強，顯示具有較佳之輸出光強度，證明了Meshed p-GaN LED的結構可以減少ITO透明導電層對紫外光的吸收、減少全反射角造成的損失及p-GaN材料對光的吸收，因此，主動層幅射的光較容易幅射出晶粒表面，而得到較佳之光輸出強度。 在電性分析方面，分成順向與逆向偏壓兩部份加以說明:

圖24 Planer ITO LED與Meshed p-GaN LED 紫外光發光二極體操作在20mA 順向電流下之電激發光光譜圖

首先在順向偏壓方面，圖25 為Planar ITO LED 與Meshed p-GaN LED紫外光發光二極體之順向偏壓特性曲線圖。當操作在20mA 的順向電流下， Planar ITO LED 與Meshed p-GaN LED 之順向電壓分別為3.29V、3.39V，電壓有稍微上升0.1V，電壓上升的原因有二種： (1). ITO 在p-Contact 面積減少了33%的接觸面積，造成ITO 與p-GaN 的接 觸電阻上升，導致在p 型電極有current crowding 的現象。 (2). p-GaN 的面積相對的也減少33%，造成電流的橫向擴散不易，串聯電阻 上升。在逆向偏壓方面：操作在-30V 逆向電壓下

圖25 Planar ITO LED 與Meshed p-GaN LED 之順向偏壓特性曲線圖

具網狀 p 型氮化鎵紫外光發光二極體（Meshed p-GaN LED）光電特性分析 如圖26 可看出，Planar ITO LED 與Meshed p-GaN LED 之逆向漏電流分別為-170μA、-210μA，兩者數量級均相同。由此可知Meshed p-GaN LED 的結構並不會影響到元件的逆向漏電流的增加。

具網狀 p 型氮化鎵紫外光發光二極體（Meshed p-GaN LED）光電特性分析

紫外光發光二極體之光電特性分析 紫外光發光二極體結構 氮化鎵發光二極體應用於固態照明領域，近來掀起各界的高度關注， 特別是以紫外光發光二極體當作激發光源，激發紅、綠、藍(R、G、B)三 種不同光色的螢光粉來混合形成白光，具有光譜涵蓋範圍廣，並可得到較 高之演色性特性40-42。因此，針對此發展趨勢，我們試圖提出新的製程技術以改善現有元件光電特性。

圖4.3為不同製程方法製作之紫外光發光二極體，完成後之晶粒外觀 圖示。製程完成後，分別對紫外光發光二極體之操作電壓、亮度、波長等 光電特性做分析比較。 圖4.4所示，為紫外光發光二極體在順向電流20mA驅動下，波長對輸出光強度關係圖。 圖4.5所示，為紫外光發光二極體在順向電流20mA驅動下，電流電壓特性關係圖。 可看出下列元件特性:

1.在軸向光所測得強度可知，不論是以Ni/Au 或ITO 作為導電層之紫外 光發光二極體，在變更為Mesh 結構後其軸向光光強度明顯提升，顯示具有較佳之輸出光強度，證明了以mesh 結構的LED 減少透明導電膜的吸收，而得到較佳之光輸出強度。 2.以Ni/Au 為透明電極之紫外光發光二極體，在變更導電薄膜結構為Mesh形式後，軸向光光強提升約70%。 3.以ITO為透明電極之紫外光發光二極體，在變更導電薄膜結構為Mesh形式後，軸向光光強提升約45%；若與傳統Ni/Au發光二極體相比，軸向光光強更有2.3倍的提升

圖 4.3 以不同製程方法製作紫外光發光二極體之晶粒外觀圖示

綜合以上討論可發現Mesh LED對於發光二極體的出光功率及改善電流分布有實質之助益，至於順向偏壓過高，可以更進一步加以改善，方法為對線寬與線寬之間距做最佳化探討，以改善順向偏壓過高之問題。 未來發展部份，可將Mesh導電層結構應用到大尺寸發光二極體之製作，由於大尺寸發光二極體發光面積變大，而發光效率卻未能有效提升，若能使用Mesh導電層結構使電流分佈更為均勻，相信發光效率及元件壽命會有大幅度提升。

藍寶石基板之氮化鎵發光二極體特性分析 受限於藍寶石基板與氮化鎵的晶格常數不匹配，使得兩者於磊晶成長 接面處有著大量的差排生成，導致整體氮化鎵晶體材料品質不佳 一般氮化鎵磊晶成長於藍寶石基板上之差排密度約為109-1010cm-2， 可藉由不同的磊晶技術來降低此巨量的差排密度；目前多採用如ELOG [9]、Pendeo [10]、FIELO [24]…等側向成長技術以減少緩衝層之差排密度 而達到提升材料品質的效果；在元件特性的部份，利用上述成長技術不但 降低了緩衝層之差排密度也等同於減少了由差排所提供的漏電路徑，使得 元件電特性獲得改善。於此我們亦利用側向成長技術成長氮化鎵緩衝層於 濕式蝕刻圖案化藍寶石基板上，並期望在側向成長區域有較低的差排密 度，以提昇整體氮化鎵緩衝層材料品質也進一步的增加元件之內部量子效 率；利用此圖案化基板不但可以藉由成長技術來改善材料品質，也可以使 主動層所發出的光，藉由具有週期性圖案化結構的藍寶石基板減少因為折 射率差異所造成的內部全反射，而提升發光二極體整體的發光效率。

不同深度之條紋圖案化藍寶石基板的優缺點 對於提昇整體發光二極體之發光效率而言，改善緩衝層的材料品質與 增加光在元件中的散射機率都是必要的條件；由4-2 節所討論之利用側向 成長技術對於材料品質的改善是有幫助的，然而具有愈大的側向成長區 域，可以更有效的降低差排密度，並且提升元件之內部量子效率；在此我 們利用蝕刻不同條紋深度的基板，創造更多的側向成長區域，以利增加材 料品質；再者本論文中所利用之濕式蝕刻技術，在愈深的條紋蝕刻深度下， 具有更多可以提供減少內部全反射之特殊角度的晶格面，使得元件有更好 的光萃取效率；不同蝕刻深度之基板如示意圖4.8 所示。較深的蝕刻深度 具有下列三項優點：1. 較小的溝槽底部寬度，容易利用FIELO 技術成長高 品質緩衝層；2. 溝槽區域距離兩側之脊狀區域大，有較大的側向成長區 域；3. 較多蝕刻出的自然晶格面；藉由以上三點優勢，我們預期具有圖案 化基板的發光二極體會有較好的元件特性，並且隨著深度的增加，而有更好的特性表現。

利用電激發光( Electrical Luminescence, EL ) 方式觀察成長於不同蝕刻深度的<11-20>strip-PSS上之發光二極體 ( <11-20>PSS-LED ) 的發光強度變化，圖4.10為<11-20>PSS-LED之發光影像圖。於調變注入電流之正向光強度比較圖中，如圖4.11，可以明顯的觀察到具有圖案化基板之發光二極體其正向發光強度皆優於傳統的平面藍寶石基板；並且隨著蝕刻深度的加深而增加；具有基板蝕刻深度分別為0.2、0.5、0.9 μm之發光二極體，正向 光強度提升量值依序為24 %、85 %、328 %。

圖4.10 具有條紋圖案化基板的發光二極體之發光影像圖

元件為具有圖案化基板之小面積 ( 300 μm × 300 μm ) 的發光二極 體；在電性特性方面，定義額定電流20 mA 時的順向偏壓為其操作電壓； 並且在逆向偏壓為-5 V 與逆向電流為-10 μA 時定義我們的元件逆偏特性； 其電特性分別整理於表4.3 與表4.4。 由圖可知，在相同的製程條件下的<11-20> PSS-LEDs 與<1-100> PSS-LEDs 各自具有大約相同的順向偏壓。然而<11-20> PSS-LEDs 與<1-100> PSS-LEDs 逆向偏壓特性相較於平面傳統型之元件皆有較好的表現

結論 本論文利用了高溫溼式蝕刻技術製備出具有週期性條紋圖案化的藍寶石基 板，藉由此基板並配合著合適的磊晶成長方式，我們可以獲得低差排密度 之氮化鎵晶體材料而提升發光二極體之內部量子效率，並同時藉由圖案化 基板之幾何圖形，可大大地減少發射光在氮化鎵晶體與藍寶石基板界面處 發生全反射的機率，進而提升光萃取效率。

參考文獻 謝 奇 勳:國立 中 央 大 學電 機 工 程 研 究所成長於圖案化藍寶石基板之氮化鎵發光二極體特性分析 陳朝旻:國 立 中 央 大 學光電科學研究所 紫外光發光二極體製程技術與元件特性研究 馮輝慶:國立 中央 大 學光電 科 學 研 究 所 具網狀結構之紫外光發光二極體之特性研究