不同電極圖型之覆晶型發(fā)光二極體特性研究

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1、不同電極圖型之履晶型發(fā)光二極體特性研究洪瑞華二林信全1武東星21國立中典大學(xué)精密工程研究所2國立中興大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系本論文主要是藉由設(shè)計(jì)不同電極圖型之覆晶型氮化錄發(fā)光二極體，來解決發(fā)光二極體元件電流擴(kuò)散不佳的問題。一開始先利用SpeCLED模擬軟體對(duì)我們所設(shè)計(jì)之電極圖型進(jìn)行模擬，比較各種電極圖型的電流擴(kuò)散情形，再搭配反射率高達(dá)97%之鎳/銀(Ni/Ag)鏡面，製作於p型電極，將光藉由反射鏡面反射回正面。此目的為製作一具有高反射鏡面且電流分佈均勻性較佳的覆晶型發(fā)光二極體?最後在將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)量測特性做比較與討論。關(guān)鍵字：覆晶型發(fā)光二極體、電流擴(kuò)散?模擬(Spe

2、CLED)1.前言發(fā)光二極體(LEDs)欲取代傳統(tǒng)光源首要解決的是提升務(wù)光效率>壽命'穩(wěn)定性與降低成本，由於要達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率之LEDs，其外部量子效率(EQE)主要受到內(nèi)部量子效率(IQE)與光萃取效率影響。高品質(zhì)量子井之藍(lán)光LEDs其內(nèi)部量子效率可以高達(dá)60-70%，但受限於元件之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磊晶基板特性或外在封裝條件影響，導(dǎo)致外部量子效率一直受限無法有效提升。主要原因是光被本身材料所吸收'出光面遮光或電流分佈不均所導(dǎo)致，另一方面光由高折射率(refractiveindex;n)的半導(dǎo)體材料傳至低折射率之空氣(n=l)實(shí)為不易，故如何將光自LEDs內(nèi)部取出是一個(gè)重要

3、的議題。傳統(tǒng)的LEDs必須在發(fā)光區(qū)上鍍上圖案化電極以及封裝製程的打媒(wirebond)，用以均勻電流的擴(kuò)散及便於連接外部電源*使得發(fā)光面積減少許多，因而使外部量子效率大大下降。覆晶型LEDs技術(shù)以n型氮化錄朝上的方式將磊晶旗與基板接合(sub-mount)，並以高反射率金屬電極取代原本之透明電極，使光自背面的董寶石基板射出，又因藍(lán)寶石基板折射係數(shù)大於空氣，故可增加光取出。此外，傳統(tǒng)LEDs所產(chǎn)生的熱只能藉由背面藍(lán)寶石基板傳遞至外界>見表一>藍(lán)寶石基板導(dǎo)熱能力相當(dāng)不佳；覆晶型LEDs所產(chǎn)生的熱能透過接合凸塊(bump)傳導(dǎo)至高導(dǎo)熱特性的覆晶子基板。且GaN為主的LE

4、Ds元件結(jié)構(gòu)大多成長於藍(lán)寶石基板，由於藍(lán)寶石基板熱傳導(dǎo)率為35W/m-K>相較於GaN(130W/m-K)與Si(150W/m-K)?藍(lán)寶石基板熱傳導(dǎo)能力較不佳，因而形成元件散熱的障礙。見圖一所示採用覆晶的製作方式能幫助散熱，直接從元件中最易產(chǎn)生熱的電極部分藉由覆晶子基板傳導(dǎo)至最外層的金屬散熱片，減少熱堆積而造成發(fā)光效率的下降。同時(shí)藉由藍(lán)寶石基板將光散射出去，因基板為透明基板故可減少因?yàn)榇蚓€電極本身之吸收所造成的光損失。MaterialThermalConductivityW/(mxK)Ag407Cu401Au319Al237Ni59Si168GaAs47SiC49

5、0Sapphire35表一常見金屬之熱導(dǎo)係數(shù)比較表mirrorSolder圖一採用覆晶製作方式的氮化錄藍(lán)光LED示意圖但一般情況，製作覆晶型發(fā)光二極體需先在矽基板上製作外接電路，且將我光二極體的覆晶電極接合至子基板上電路時(shí)?需要再確認(rèn)p?n型電極的對(duì)位。本研究主要是藉由設(shè)計(jì)不同電極圖型之覆晶型氮化錄發(fā)光二極體［1-3］，來解決登光二極體元件電流擴(kuò)散不佳的問題［4,5］。一閒始先利用SpeCLED模擬軟體對(duì)我們所設(shè)計(jì)之電極圖型進(jìn)行模擬，比較各種電極圖型的電流擴(kuò)散情形，再搭配反射率高達(dá)97%之鎳/銀(Ni/Ag)鏡面，製作於p型電極，將光藉由反射鏡面反射回正面。此目的為

6、製作一具有高反射鏡面且電流分佈均勻性較佳的覆晶型發(fā)光二極體，最後在將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)量測特性做比較與探討。2.實(shí)驗(yàn)方法利用SpeCLED模擬軟體初步模擬兩種電極圖型，來探討較佳之電極圖型，再藉由模擬之電流密度均勻性對(duì)電極圖型做修改。最後總共設(shè)計(jì)出六種不同電極圖型，如圖二所示。明科技與營第圖二各種電極圖型之結(jié)構(gòu)示意圖本研究之氮化錄磊晶片是利用有機(jī)金屬氣相沉積(Metalorganicchemicalvapordeposition,MOCVD)成長於(0001)M寶石基板上，磊晶層之結(jié)構(gòu)包括一層厚度50nm低溫成長的氮化錄緩衝層，厚度2gm無摻雜之氮化錄(u?GaN)，厚

7、度3pm離摻雜之n型氮化錄(n?GaN)，氮化錮鎳/氮化錄(InGaN/GaN)多重量子井活性層，及厚度0.5pm之p型氮化錄(p?GaN)披覆層。利用黃光微影技術(shù)在具有透明導(dǎo)電層的氮化錄磊晶膜上，定義出平臺(tái)的形貌，並以烤箱在130°C下烘烤1小時(shí)，用以強(qiáng)化光阻形成蝕刻阻撐層。接箸將試片放入純鹽酸中3分鐘，以蝕刻裸專在平臺(tái)外未被光阻保護(hù)的ITO露出p型匕錄，藉此定義出透明導(dǎo)電層的圖案?此圖案類似於平臺(tái)的形狀，但略微往內(nèi)縮小約5屮n左右。經(jīng)過濕儺刻定我出透明導(dǎo)電層區(qū)域後，再利用感應(yīng)式耦合電漿蝕刻機(jī)蝕刻氮化錄磊晶結(jié)構(gòu)層以建立平臺(tái)，蝕刻條件為：氯氣流量27seem?氫