Please use this identifier to cite or link to this item:
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.authorLi, Szu-Lungen_US
dc.identifier.citation[1] T. Gessmann and E. F. Schubert, “High-efficiency AlGaInP light-emitting diodes for soild-state lighting applications,” JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 95, no. 5, p.p 2203-2216, 2004. [2] E. F. Schbert, Light-Emitting Diodes, Cambridge Uni. Press, 2006. [3] K. Kobayashi, S. Kawata, A. Gomyo, I. Hino and T. Suzuki, “Room-temperature cw operation of AlGaInP double-heterostructure visible lasers,” Electron Lett, vol. 21, no. 20, p.p 931-932, 1985. [4] Y. Ohba, M. Ishikawa, H. Sugawara, T. Yamamoto and Nakanisi, “Growth of high-quality InGaAlP epilayers by MOCVD using methyl metalorganics and their application to visible semiconductor lasers,” J. Cryst. Growth, vol. 77, p.p 374-379, 1986. [5] M. Iketa, K. Nakano, Y. Mori, K. Kaneko and N. Watanabe, “MOCVD growth of AlGaInP at atmospheric pressure using triethylmetals and phosphine,” J. Cryst. Grwoth, vol. 77, p.p 380-385, 1986. [6] C. P. Kuo, R. M. Fletcher, T. D. Osentowski, M. C. Lardizabel, M. G. Craford, and V. M. Robbins, “High performance AlGaInP visible light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett., vol. 57, no. 27, p.p 2937-2939, 1990. [7] R. M. Fletcher, C. Kuo, T. D. Osentowski and s V. M. Robbin, “Light-emitting diode with an electrically conductive window,” US Patent 5,008,718, 1991. [8] H. Sugawara, M. Ishikawa, Y. Kobubun, Y. Nishikawa and Naritsuka S., “Semiconductor light-emitting device,” US Patent 5,048,035, 1991. [9] K.H. Huang and T.P. Chen, “Light emitting-diode structure,” US Patent 5,661,742, 1997. [10] S. J. Chang, C. S. Chang, Y. K. Su, P. T. Chang, Y. R. Wu, K. H. Huang and T. P. Chen, “AlGaInP multiquantum well light-emitting diodes,” IEE Proc. Optoelectronics, vol. 144, p.p 1-2, 1997. [11] G. B. Stringfellow and M. G. Craford, “High Brightness Light-Emitting Diodes,” Academic Press, 1997. [12] M. R. Krames et al., “High-power truncated-inverted-pyramid (AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP ligh-emitting diodes exhibiting>50% external quantum efficiency,” Appl. Phys. Lett., vol. 75, no. 16, p.p 2365-2367, 1999. [13] 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。 [14] N. F. Gardner, H. C. Chui, E. I. Chen, M. R. Krames, J-W. Hung, F. A. Kish, S. A. Stockman, C. P. Kocot, T. S. Tan and N. Moll, “1.4× efficiency improment in transparent-substrate (AlxGa1-x)0.5In0.5P light-emitting diodes with thin (≦2000Å) active regions,” Appl. Phys. Lett., vol. 74, no. 15, p.p 2230-2232, 1999. [15] T. Baba, R. Watanabe, K. Asano, F. Koyama and K. Iga, “Theoretical and experumental estimations of photon recycling effect in ight emitting devices with metal mirror,” Jpn. J. Appl. Phys, vol. 35, p.p 97-100, 1996. [16] G. E. Höfler, D. A. Vanderwater, D.C. DeFevere, F. A. Kish, M. D. Camras, F. M. Steranka and I. H. Tan, “Wafer bonding of 50-nm diameter GaP to AlGaInP-GaP light-emitting diode wafers,” Appl. Phys. Lett., vol. 69, no. 6, p.p 803-805, 1996. [17] R. H. Horng, D. S. Wuu and S. C. Wei, “AlGaInP/AuBe/glass light-emitting diodes fabricated by wafer bonding technology,” Appl. Phys. Lett., vol. 75, no. 2, p.p 154-156, 1999. [18] E. H. Park et al., SPIE Proc, vol. 4641, no. 19, 2002. [19] H. W. Deckman and J. H. Dunsmuir, “Natural lithography,” Appl. Phys. Lett., vol. 41, no. 4, p.p 377-379, 1982. [20] I. Schnitzer, E. Yablonovitch, C. Caneau, T. J. Gmitter and A. Scherer, “30% external quantum efficiency from surface textured, thin-film light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett., vol. 63, no. 18, p.p 2174-2176, 1993. [21] A. Köck et al., Appl. Phys. Lett., vol. 57, no. 2327, 1990. [22] M. boroditsky, T. F. Krauss, R. Coccioli, R. Vrijen, R. Bhat and E. Yablonovitch, “Light extraction from optically pumbed light-emitting diode by thin-slab photonic crystals,” Appl. Phys. Lett., vol. 75, no. 8, p.p 1036-1038, 1999. [23] H. Y. Ryn et al., IEEE Selected topics in QE-8, 231, 2002. [24] M. R. Krames, O. B. Shchekin, R. M. Mach, G. O. Mueller, L. Zhou, G. Harbers and M. G. Craford, “Status and future of high-power light-emitting diodes for soid-state lighting,” Journal of display technology, vol. 3, no. 2, p.p 160-175, 2007. [25] LumiLeds, “Thermal management considerations for super flux LEDs,” Application Note 1149-4. [26] C. C. Lee and J. Park, “Temperature measurement of visble light-emitting diodes using nematic liquid crystal thermography with laser illumination,” IEEE photonics technology letters, vol. 16, p.p 1706-1708, 2004. [27] J. Millman and C. Halkias, Integrated Electronics, McGraw-Hill. [28] 真空技術與應用,行政院國家科學委員會精密儀器發展中心出版 [29] 楊智超, 高密度氯氣電漿應用於氮化鎵材料蝕刻製程之模型研究, 中原大學化學工程學系碩士論文,2002。 [30] V. Gottschalch , W. Heinig , E. Butter, H. Rosin and G. Freydank, “H3PO4 - etching of {001} faces of InP, (GaIn)P, GaP, and Ga(AsP),” Crystal research and technology, vol. 14, p.p 563-569, 2006. [31] 陳立俊,材料電子顯微鏡學,國家實驗研究院儀器科技研究中心出版,1990。 [32] 汪建民,材料分析,中國材料科學學會,1998。 [33] 梁永隆, 藉由視窗層粗化以提昇磷化鋁銦鎵發光二極體外部量子效率之研究, 中興大學精密工程研究所碩士論文, 2006. [34] 饒益侖, 以二次晶圓接合技術研製具金屬反射鏡面之p-side up高亮度磷化鋁銦鎵發光二極體, 中興大學精密工程研究所碩士論文, 2006.zh_TW
dc.description.abstract由於磷化鋁銦鎵(Aluminum Galium Indium Phosphide, AlGaInP) 與砷化鎵(Gallium Arsennide, GaAs)晶格常數匹配,一般而言,AlGaInP發光二極體(Light Emitting Diodes, LEDs)結構大多磊晶於GaAs基板。然而, GaAs能隙僅1.42 eV,且熱導不良(0.5 W/cm.K),不僅會吸收AlGaInP發出之光,亦會因LED接面所產生的熱無法有效移除,進而影響LED特性。 目前以金屬晶圓接合技術,將磊晶膜轉貼於散熱基板,移除GaAs基板,已解決上述問題,但此法所製之LEDs屬p-side down之結構,會犧牲以磷化鎵(Gallium Phosphide, GaP)作為良好窗口層之優點,另一方面若製作p-side up之LEDs,GaP位於LEDs磊晶結構頂層,其折射率(n = 3.5)與空氣折射率(n = 1)差異太大,易造成LEDs活性層所產生之光,於兩介質界面產生全反射之現象,大幅降低發光效率。 本論文將針對上述問題,提出一解決方法。將完成製作之LEDs,以聚苯乙烯(Polystyrene, PS)奈米小球作為GaP視窗層蝕刻遮罩,並以高密度電漿反應式離子蝕刻系統(Inductive Couple Plasma – Reactive Ion Etcher, ICP-RIE)進行蝕刻,或點狀陣列光阻搭配濕蝕刻,將GaP表面粗化,降低界面產生全反射之機率。最後以化學溶液,將GaAs基板、蝕刻停止層磷化銦鎵(Indium Gallium Phosphide, InGaP)與GaAs緩衝層移除,再以金作為反射鏡面(金對於波長為600 nm~700 nm之電磁波,反射率達95 %),並以此鏡面作為電鍍銅製程之種晶層,電鍍銅基板,利用硝酸水溶液蝕刻銅基板,完成元件製作。 由研究結果得知,以最佳條件粗化14 mil之LEDs,於20 mA之注入電流下,其正向光強度較未粗化之LEDs提昇約20 %。若將LEDs元件吸光層移除,蒸鍍金反射鏡面與電鍍銅基板,則可提高亮度約4倍。結合上述製程製作之LEDs,與以GaAs為基板之LEDs相比,則將亮度提升至4.5倍,光輸出功率由1.17 mW提昇到4.71 mW,發光效率由15.85 lm/W提昇至62.98 lm/W。此外,具散熱銅基板之LEDs,相較於以GaAs為基板之LEDs,在100 mA的注入電流下,接面溫度僅上升10oC。zh_TW
dc.description.abstractIn general, the lattice constant of AlGaInP is almost matched to GaAs substrate, so that the GaAs is used to be the substrate for AlGaInP epilayer growth. However, the band gap of GaAs is 1.42 eV and results in the most visibale-spectrum photons being absorbed. The lost light due to absorbtion effect is greater than 50%. Second, the thermal conductivity of GaAs is 56 W/m.K poor for releasing heat from the LEDs makes emission light shift to long wavelength, saturated and failure. Metal bonding is applied to transfer epilayer on high thermal conductivity substrate to solve these problems. But the LEDs structure is p-side down would sacrifice GaP as window layer. On the other hand, the refractive index of GaP (3.5) is larger than air (1). The total reflection is easy to take place on the interface reducing the intencity of light. This work will discuss how to solve these problems and increase the external quantum efficiency of LEDs. The accompolished LEDs apply PS nanosphere or PR dot arrays as masks on GaP etched by ICP-RIE or chemical solution. After etching, the textured GaP is going to reduce total reflection, then GaAs, InGaP and buffer GaAs are removed by chemical solution and coated gold by thermal evaporation system (The reflectivity of gold is about 95% versus the wavelength from 600 nm to 700 nm). Finally, the gold thin film also becomes a seed layer for Cu electroplating. In this study, the luminous intensity of 14 mil surface textured LEDs increases about 20% comparing with the original LEDs at 20 mA. If GaAs substrate was removed, Au mirror and Cu substrate were joined into the LEDs it could enhance the brightness about 4 times. Combining two processes, the luminous intensity of LEDs could get 4.5 times than that of the LEDs with GaAs substrate; output power could be also increased from 1.17 mW to 4.71 mW, the luminous efficiency was also increased from 15.85 lm/W to 62.98 lm/W. Futhermore, the junction temperature of LEDs just rise 10 oC in 100 mA injection current because of the Cu substrate providing well thermal disspation.en_US
dc.description.tableofcontents目錄 封面 空白頁 書名頁 審核頁 授權書 中文摘要 1 Abstract 2 目錄 3 表目錄 6 圖目錄 9 一、緒論 10 (一) 前言 10 (二) AlGaInP LEDs發展簡述 10 (三) AlGaInP LEDs現有缺點 11 1. 電流分布與電極遮蔽效應 11 2. 光取出率與砷化鎵基板之光吸收 12 3. 載子的非輻射複合與砷化鎵之熱導係數 12 (四) 改善AlGaInP LEDs發光效率之方法 13 1. 內部量子效率之增益 13 2. 外部量子效率之提升 15 (五) 研究動機 17 (六) 論文架構 17 二、發光二極體相關理論 18 (一) LEDs發光機制 18 (二) LEDs發光效率 19 (三) LEDs接面溫度量測理論與方法 20 三、製程與儀器分析原理 21 (一) 製程原理 21 1. 高密度電漿反應式離子蝕刻系統蝕刻機制 21 2. 化學溶液蝕刻機制 22 (二) 表面形貌分析儀器原理 22 1. 掃描式電子顯微鏡 22 2. 原子力顯微鏡 23 四、元件製作流程 25 (一) AlGaInP LEDs磊晶結構 25 (二) 試片清洗 25 (三) 平台蝕刻 25 (四) P型與N型電極製作 26 (五) LEDs表面粗化 26 (六) 移除吸光基板與蒸鍍高反射鏡面 27 (七) 電鍍銅製程 28 (八) 濕蝕刻銅基板製作LEDs晶粒 28 (九) 打線封裝 28 五、結果與討論 29 (一) 前言 29 (二) 表面形貌分析 29 1. ICP-RIE Bias Power對GaP表面粗糙度之影響 30 2. ICP-RIE蝕刻時間對GaP表面粗糙度之影響 30 3. PS溶液塗佈時間與GaP奈米柱狀密度之關聯 31 4. 濕式蝕刻對GaP表面形貌之影響 32 (三) 各高反射金屬之反射率量測 32 (四) 不同濃度蝕刻液對銅基板蝕刻之表面型態 33 (五) LEDs特性與檢測 33 1. 溫度對p-GaP與Au/AuBe/Au電極接觸之電性影響 33 2. 溫度對n-AlGaInP與AuGe/Au電極接觸之電性影響 33 3. 元件之電特性 34 (1) 乾蝕刻粗化之LEDs元件電性 34 (2) 濕蝕刻粗化之LEDs元件電性 35 4. 元件之電流與光強度 35 (1) 乾蝕刻粗化之LEDs元件I-Iv特性 35 (2) 濕蝕刻粗化之LEDs元件I-Iv特性 36 5. 發光效率 36 (1) 光輸出功率與發光效率 36 (2) 電光轉換效率 37 (3) 外部量子效率 37 6. 光場量測 38 7. 接面溫度量測 38 六、結論 39 七、參考文獻 40 表目錄 表1-1 常見材料之熱傳導率 84 圖目錄 圖1-1 AlGaInP系統之能隙對應晶格常數 43 圖1-2 AlGaInP LEDs效率發展演進 43 圖1-3 界面全反射與表面散射 44 圖1-4 (1)輻射複合(2)非輻射複合 44 圖1-5 AlGaInP LEDs具不同活性層結構之電流對光效率 45 圖1-6 具光子循環結構之LEDs的電流對光輸出 46 圖1-7 厚GaP視窗層之AlGaInP LEDs元件結構圖 47 圖1-8 表面具ITO薄膜之AlGaInP LEDs元件示意圖 47 圖1-9 內含電流堵塞層之LEDs元件示意圖 48 圖1-10 LEDs具布拉格反射鏡之元件結構圖 48 圖1-11 表面具微透鏡與內含反射鏡之LEDs結構示意圖 49 圖1-12 表面粗化之LEDs元件示意圖 49 圖1-13 (a)表面具週期性結構之LEDs示意圖(b)光放射模式 50 圖1-14 具斜面之LEDs元件示意圖 51 圖1-15 鈴形LEDs元件示意圖 51 圖1-16 具光子晶體結構之LEDs示意圖 52 圖2-1 常見III-V族化合物半導體能隙對應晶格常數 53 圖2-2 (a)直接能隙(b)非直接能隙 54 圖3-1 高密度電漿反應式離子蝕刻系統示意圖 55 圖3-2 掃描式電子顯微鏡 56 圖3-3 掃描式電子顯微鏡訊號示意圖 56 圖3-4 原子力顯微鏡作用原理 57 圖4-1 AlGaInP磊晶片結構之SEM照 58 圖4-2 AlGaInP LEDs p-side up元件製作流程圖 58 圖4-3 元件粗化與移除吸光基板流程圖 59 圖4-4 於20 mA注入電流下之LEDs點亮情形 59 圖4-5 濕蝕刻銅基板製程圖 60 圖4-6 濕蝕刻銅基板之光學顯微鏡圖 60 圖5-1 ICP-RIE Bias Power對表面粗糙度之影響 61 圖5-2 ICP-RIE蝕刻時間對表面粗糙度之影響 62 圖5-3 SEM觀測不同塗佈時間之PS密度 63 圖5-4 PS塗佈時間與分布密度之相依性 63 圖5-5 不同分布密度之PS經乾蝕刻後之AFM圖 64 圖5-6 不同分布密度之PS經乾蝕刻後之SEM圖 65 圖5-7 蝕刻時間與GaP蝕刻深度之相依性 66 圖5-8 點狀光阻經蝕刻30分鐘後移除之GaP表面形貌 66 圖5-9 各高反射率金屬之反射率與對應波長 67 圖5-10 不同濃度蝕刻液對銅基板蝕刻之表面型態 68 圖5-11 溫度對p-GaP與Au/AuBe/Au電極接觸之電性影響 69 圖5-12 溫度對n-AlGaInP與AuGe/Au電極接觸之電性影響 69 圖5-13電流路徑分佈圖 70 圖5-14 乾蝕刻粗化對LEDs電性之影響 71 圖5-15 移除吸光基板對LEDs電性之影響 71 圖5-16 乾蝕刻粗化與移除吸光基板對LEDs電性之影響 72 圖5-17 各製程LEDs之電性 72 圖5-18 濕蝕刻粗化對LEDs電性之影響 73 圖5-19 乾蝕刻粗化LEDs之電流對光強度 74 圖5-20 移除吸光基板對LEDs光強度之影響 74 圖5-21 乾蝕刻粗化與移除吸光基板對LEDs光強度之影響 75 圖5-22 各製程LEDs之電流對光強度 75 圖5-23 濕蝕刻粗化LEDs 之電流對光強度特性曲線 76 圖5-24 LEDs元件粗化之光輸出功率與流明圖 77 圖5-25 LEDs元件移除吸光基板之光輸出功率流明圖 77 圖5-26 LEDs元件粗化與移除吸光基板之光輸出功率與流明圖 78 圖5-27 粗化對LEDs電光轉換效率之效益 79 圖5-28 移除吸光基板對LEDs電光轉換效率之效益 79 圖5-29 粗化與移除吸光基板對LEDs電光轉換效率之效益 80 圖5-30 各製程對LEDs電光轉換效率之效益 80 圖5-31 各製程對LEDs外部量子效率之增益 81 圖5-32 LEDs具不同結構之光場分佈 82 圖5-33 不同結構之LEDs元件於不同注入電流之EL光譜 83zh_TW
dc.subjecttextured surfaceen_US
dc.titleImprovement of external quantum efficiency of AlGaInP-based LEDs by high reflective metal substrate and roughing window layeren_US
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
Appears in Collections:精密工程研究所


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.