SiC 基板發光二極體電性

四、結果與討論

4.1.2 SiC 基板發光二極體電性

我們針對發光二極體之電流-電壓特性作量測可以發現在 SiC 基板發光二極體之晶片大小為 300X300μm²，在順向電流 20mA 下測得的順向電壓為 2.2V，比傳統發光二極體略高一些，可能之原因是在 P-AlGaInP 之 metal contact 可能未作的良好導致元件之順向電壓略高。如圖 4-2 為 SiC 基板發光二極體之電流電壓特性。

Chip Size:300X300μm²

比較。使用的鏡面反射層為 BeAu 與 Ag 兩金屬，擴散阻擋層為

Ti/Pt/Au。在此我們針對紅光的發光波段(630nm)作一討論，在研究中使用不同的鏡面反射層主要先探討在 AlGaInP 發光二極體中不同 Mirror 層對光之反射的影響與表面粗化，並與未經由晶圓接合技術轉移之 AlGaInP 發光二極體作為比較。

首先對於 GaAs 基板發光二極體、SiC 基板 BeAu 發光二極體與 SiC 基板 BeAu 與表面粗化發光二極體之比較，元件結構圖如圖 4-3 所示。

如圖 4-4 為晶片尺寸 300X300μm²的發光二體電流與發光強度之關係圖，圖中可以發現在 GaAs deive 只能於低功率下進行驅動，飽和電流於 100mA~150mA，在 20mA 下的發光強度為 50mcd。在 BeAu device 和 BeAu Roughening device 中可以發現飽和電流約在

450~500mA，比起傳統 GaAs 發光二極體提升了 3.3 倍，在 20mA 下 BeAu device 發光強度為 205mcd，BeAu Roughening device 發光強度為 240mcd。分別與傳統 GaAs 發光二極體提升了 76~80%，使 surface Roughening 與未使用時元件光取出效率也提升了 15%。所以在此證明了使用 Surface Roughening 與鏡面反射層來增加光的取出是有效的。

圖 4-3(A) GaAs device 之結構圖

圖 4-3(B) SiC-BeAu-Roughening device 之結構圖

GaAs substrate LED structure

ITO

N-pad

SiC substrate In

BeAu

LED structure ITO

P-pad P-pad

N-pad

(A)

(B)

圖 4-4 傳統發光二極體與使用表面粗化與鏡面反射層之電流與光取

Light Intensity (mcd)

Current (mA)

BeAu device

BeAu Roughening device GaAs device

之反射率佳,並可應用之短波長之鏡面反射層材料。

圖 4-5 BeAu 與 Ag 沉積於玻璃基板之反射率

最後我們也使用了 Ag mirror 來作為 SiC 發光二極體之鏡面反射層,並增加了擴散阻擋層(Diffusion Barrier Layer)對光學性質之影響。由上述圖 4-5 中可以得知 Ag 比 BeAu 有較佳之反射率，所以我們將 Ag Roughening device (Ti/Pt/Au)如圖 4-6 與 BeAu Roughening device (Ti/Pt/Au)和 BeAu Roughening device 作一系列比較。如圖 4-7 我們可以發現添加了擴散阻擋層(Ti/Pt/Au)可以增加其光取出之

400 450 500 550 600 650

BeAu mirror Ag mirror

強度，在次有這種現象我們初步認為是在接合的金屬中 In 之擴散所產生，後續章節會針對 In 擴散作一系列分析。圖 4-7 中我們發現 BeAu Roughening device 之光取出特性比 BeAu Roughening device

(Ti/Pt/Au)來得差，BeAu Roughening device (Ti/Pt/Au)在 20mA 下之光取出強度為 259mcd，所以有擴散阻擋層之光取出與沒有擴散阻擋層之光取出效率提升了 8%。在 Ag Roughening device (Ti/Pt/Au) 與 BeAu Roughening device (Ti/Pt/Au)之比較可以發現在 20mA 下 Ag device 確實比 BeAu 來得好，Ag Roughening device (Ti/Pt/Au) 在 20mA 下之光取出強度為 270mcd，比 BeAu Roughening device (Ti/Pt/Au)光取出效率提升了 5%。由此可以在次證明 Ag 比 BeAu 有著較佳的反射率。

圖 4-6 Ag Roughening device (Ti/Pt/Au)之結構圖

SiC substrate

圖 4-7 不同鏡面反射層與添加擴散阻擋層之電流與光取出強度之比

Light Intensity (mcd)

Current (mA)

BeAu-Roughening device

BeAu-Roughening device(Ti/Pt/Au) Ag-Roughening device(Ti/Pt/Au)

驗設計之試片結構圖。

圖 4-8 Auger 縱深分析之相關試片結構圖

圖 4-9 分別為(A)BeAu/In/Si-Sub. (B)Ag/In/Si-Sub.

Si Sub.

In In In

Ti/Pt/Au Ag Ag Au

ITO

Auger

(C)ITO/Ag/TiPtAu/In/Si-Sub.之 Auger 縱深分析圖。圖 4-9(A)中我

圖 4-9(A) BeAu/In/Si-Sub. Auger 縱深分析圖 (A)

0 500 1000 1500 2000

Etch Time (sec)

In Au

圖 4-9(B) Ag/In/Si-Sub. Auger 縱深分析圖

圖 4-9(C) ITO/Ag/TiPtAu/In/Si-Sub. Auger 縱深分析圖

0 500 1000 1500 2000

Etch Time (sec)

Ag In

0 200 400 600 800 1000 1200

Atomic percent (%)

Etch Time (sec)

In Ag Ti

(B)

(C)

4.2 Ag 反射鏡面反射率之提升

在前面提到了在紅光波段 630nm 時，Ag 鏡面反射層比 BeAu 有較佳的反射率。在此我們將要探討經由退火製程後在藍光 470nm 時 Ag 之反射率的提升。在相關文獻中韓國學者 June-O Song[30]提到 Ag 經由高溫 330~530^oC 空氣中退火時，Ag 會有聚集的現象發生，如圖 4-10(A)(B)(C)所示。Ja-Yeon Kim[31]提到 Ag 在空氣中 500^oC 退火一分鐘後仍然會有聚集之現象，最後使用 AgAl 合金的方式在空氣中 500^oC 退火一分鐘後可以發現聚集的現象明顯的改善了許多，如圖 4-11(b)(c)(e)(f)(g)所示。而且 AgAl 合金在 500^oC 一分鐘退火後之反射率仍有 85%之絕對值如圖 4-12 所示。Hyunsoo Kim[32]提出使用 AgCu 合金來改善 Ag 聚集並提升反射率，AgCu 合金是利用 Cu 來抓住氧使得 Ag 降低了氧化而造成聚集。並在 400^oC 下進行退火，在 470nm 之反射率仍有 86%左右之反射率，如圖 4-12(A)所示。並且 SIMS 分析中可以證明 Cu 會形成 CuO 並且減低形成 AgO。如圖 4-12(B)所示。

圖 4-10(A) Ag 沉積後未退火之 TEM Cross Section[30]

圖 4-10(B) Ag 經由 330^oC 退火後之 TEM Cross Section[30]

圖 4-10(C) Ag 經由 530^oC 退火後之 TEM Cross Section[30]

圖 4-11(b) Ag 未退火之表面 (c) Ag 在空氣中經由 500^oC 1min 之退火[31]

圖 4-11(e) AgAl 未退火之表面 (f) AgAl 在空氣中經由 500^oC 1min 之退火[31]

圖 4-11(g) Ag 與 AgAl 合金退火前後之反射率比較[31]

圖 4-12(A) AgCu 合金與 Ag 退火前後之反射率與 Cross Section[32]

圖 4-12(B) AgCu 合金與 Ag 退火前後之 SIMS 分析圖[32]

4.2.1 添加 metal barrier 於 mirror 之反射率提升

由於元件中我們使用了 ITO 作為電流分佈層，因為如此 Ag 鏡面反射層沉積於 ITO 上，元件經由高溫退火後就容易形成 AgO，使得微結構聚集與反射率下降。Hyunsoo Kim[34]提出使用 AgCu 合金來改善 Ag 聚集並提升反射率，AgCu 合金是利用 Cu 來抓住氧使得 Ag 降低了氧化而造成聚集，並在 400^oC 下進行退火，在 470nm 之反射率仍有 86%

左右之反射率。在此我們則在 ITO 與 Ag 之間添加了一層 barrier layer Ni，使得 Ni 形成 NiO。因為 NiO 的穿透率相當不錯並不會吸收過多從 Ag 反射出去的光，且藉由 Ni barrier 的加入可以降低了 Ag 的氧化形成 AgO。

實驗中我們使用了 RTA 快速熱退火的方式進行試片的退火，並通入氮氣(N²)形成保護氣氛降低空氣中的氧使得 Ag 氧化。如圖 4-13 為使用玻璃基板沉積(A)ITO/Ag/Ni，(B)ITO/Ni/Ag，(C)ITO/Ni/Ag/Ni 經由 RTA 200^oC - 1 小時的退火。圖中可以發現三種條件在 470nm 時階有 90~100%(以 Al 為基準)之反射率，其中 ITO/Ni/Ag 與

ITO/Ni/Ag/Ni 反射率比 ITO/Ag/Ni 好，其原因我們初步為是經由 200

oC 之退火 ITO 的 O 與 Ag 形成了 AgO 造成了反射率下降，其他兩組則因為有 Ni 之保護所以形成 NiO，故能有相當不錯之反射率。

400 450 500 550 600 650 700

圖 4-13 在玻璃基板沉積(A)ITO/Ag/Ni (B)ITO/Ni/Ag (C)ITO/Ni/Ag/Ni 經 RTA 200^oC 退火 1 小時之反射率

在圖 4-14 中為使用玻璃基板沉積(A)ITO/Ag/Ni，

(B)ITO/Ni/Ag，(C)ITO/Ni/Ag/Ni 經由 RTA 270^oC - 1 小時的退火。

圖中可以發現三種條件在 470nm 時階有 70~90%(以 Al 為基準)之反射率，其中 ITO/Ni/Ag 與 ITO/Ni/Ag/Ni 反射率比 ITO/Ag/Ni 好，其原因我們初步為是經由 270^oC 之退火 ITO 的 O 與 Ag 比 200^oC 更容易形成了 AgO 造成了反射率下降，其他兩組則因為有 Ni 之保護所以形成

NiO，故能有 85~90%之反射率，而 ITO/Ag/Ni 則只有 70%之反射率。

圖 4-14 在玻璃基板沉積(A)ITO/Ag/Ni (B)ITO/Ni/Ag (C)ITO/Ni/Ag/Ni 經 RTA 270^oC 退火 1 小時之反射率

後續實驗我們使用了爐管於空氣中退火來探討是否為氧的影響，在圖 4-15 中為使用玻璃基板沉積(A)ITO/Ag/Ni，(B)ITO/Ni/Ag，

(C)ITO/Ni/Ag/Ni 在空氣中經由爐管 200^oC - 1 小時的退火。圖中我們發現了 ITO/Ni/Ag 與 ITO/Ag/Ni 於 470nm 之反射率為 65%，明顯比 RTA 200 與 270^oC 之條件下降許多因為爐管是在空氣中退火並未抽真空，所以在這我們可以推論出空氣中的氧與 Ag 形成 AgO 造成反射率

400 450 500 550 600 650 700

下降。

在 ITO/Ni/Ag/Ni 中因為 Ag 上下有 Ni 之保護形成 NiO，故反射率於 470nm 仍然可以保持在 80%左右。

圖 4-15 在玻璃基板沉積(A)ITO/Ag/Ni (B)ITO/Ni/Ag (C)ITO/Ni/Ag/Ni 在空氣中經爐管 200^oC 退火 1 小時之反射率

4.2.2 使用 Auger 縱深分析-玻璃基板之薄膜

由上述可知道的機制為利用 Ni 來防止 ITO 的 O 與 Ag 形成 AgO，

在此利用 Auger 縱深分析來探討 Ni 是否形成 NiO。圖 4-16(A)為 Glass/ITO/Ag/Ni 之縱深分析圖，在蝕刻速率 0~200sec 之間 Ni 的訊

400 450 500 550 600 650 700

號與 O 的訊號同時出現，證明了 NiO 的存在。在 200~1000sec 時為

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0

Etch Time (sec)

Ag In O Ni

(A)

圖 4-16 (B)在玻璃基板沉積 ITO/Ni/Ag 之 Auger 縱深分析圖

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0

Etch Time (sec)

Ag In O Ni

(B)

圖 4-16(C) 在玻璃基板沉積 ITO/Ni/Ag/Ni 之 Auger 縱深分析圖

4.2.3 微結搆與原子力顯微鏡之分析

在此對於微結構作一系列分析，分別為在 RTA 與爐管 200^oC 退火 1 小時之 SEM 探討。圖 4-17(A)(B)(C)分別為 ITO/Ag/Ni，ITO/Ni/Ag，

ITO/Ni/Ag/Ni 之 RTA 退火之 SEM 圖。圖 4-17(A)中表面為 Ni 可以發現與圖 4-17(B)中表面 Ag 的粗糙有所差別，表面的 Ag 因形成 AgO 所以有聚集的現象且相當的粗糙，相較於圖 4-17(A)(C)表面為 Ni 的形態相差甚多。圖 4-18(A)(B)(C)分別為 ITO/Ag/Ni，ITO/Ni/Ag，

ITO/Ni/Ag/Ni 之爐管於空氣中退火。圖 4-18(B)中表面為 Ag 可以發現與圖 4-17(B)中表面 Ag 的粗糙有所差別，且比 RTA 退火的

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0

Etch Time (sec)

Ag In O Ni

(C)

ITO/Ni/Ag 更為粗糙，後續將會使用原子力顯微鏡作表面粗糙度的量測。圖 4-18(A)(C)表面為 Ni 的形態與圖圖 4-17(A)(C)表面為 Ni 的形態之微結構相差不大。

圖 4-17 (A)ITO/Ag/Ni，(B)ITO/Ni/Ag，(C) ITO/Ni/Ag/Ni RTA200^oC 退火之 SEM 表面微結構圖

(A)

(B)

(C)

圖 4-18 (A)ITO/Ag/Ni，(B)ITO/Ni/Ag，(C) ITO/Ni/Ag/Ni 爐管 200^oC

(C)

(B)

(A)

圖 4-19(A)(B)(C)分別為 ITO/Ag/Ni，ITO/Ni/Ag，ITO/Ni/Ag/Ni 之 RTA 退火之 FIB Cross Section 圖。圖 14-9(A)中可以發現到 Ag 與 ITO 表面還算相當平整，圖 4-19(B)中可以明顯發現到 Ag 的聚集，

圖 4-19(C)中上下有 Ni 的保護所以 Ag 剖面圖看起來相當平整。

圖 4-19 (A)ITO/Ag/Ni，(B)ITO/Ni/Ag，(C) ITO/Ni/Ag/Ni RTA200^oC 退火之 FIB Cross Section 圖

(C) (B) (A)

ITO Ag

Glass sub.

ITO

Ag

圖 4-20 為原子力顯微鏡分析，藉由 AFM 的分析來對 RTA 與爐管 200oC 下退火之 Ag 表面作粗糙度的量測。圖 4-20(A)為 RTA

Glass/ITO/Ni/Ag，圖 4-20(B)為爐管 Glass/ITO/Ni/Ag。在 AFM 的量測中可以發現使用 RTA 退火的表面粗糙度 Rms=7.54nm，使用爐管退火的表面粗糙度 Rms=16.51nm，相差了 2.2 倍之多，所以也在次證明 Ag 使用 RTA 於 N²下退火比爐管於空氣中退火較不會聚集。

圖 4-20 (A)ITO/Ni/Ag 於 RTA 退火 Rms=7.54nm 與(B)ITO/Ni/Ag 在空

(B)

(A)

4.2.4 NiO 穿透率之探討

400 450 500 550 600 650 700

Glass/NiO(air 200-1hr) Glass/NiO(air 270-1hr)

圖 4-22 Ni 沉積於 Glass 基板退火溫度變化之穿透率關係圖

4.2.5 在 Sapphire 基板成長 GaN 並沉積 Mirror 之反射率

在此我們直接在雙拋 Sapphire 基板成長 u-GaN，並在 u-GaN 上沉積 ITO/Ag/Ni 之相關系列的反射層與 barrier layer，藉由此實驗來模擬 Ni/Ag 系列之材料組合於 GaN 元件上之反射率。如圖 4-23 所示，仍然可以發現在 RTA 200^oC 退火後的 ITO/Ag/Ni 之反射率在 470nm 只有 70%，ITO/Ni/Ag 之與 ITO/Ni/Ag/Ni 之反射率仍維持 90~100%(以 Al 為基準) 。在此更能證實使用 ITO/Ni/Ag 系列之反射材料能有效的應用於藍光 GaN 之元件上。

400 450 500 550 600 650 700

圖 4-23 在雙拋 Sapphire 基板上成長 u-GaN 應用於 RTA 200^oC 退火 barrier 是否形成 NiO。圖 4-24(A)為 Sapphire/u-GaN/ITO/Ag/Ni 之縱深分析圖，在蝕刻速率 0~200sec 之間 Ni 的訊號與 O 的訊號同時出現，證明了 NiO 的存在。在 200~700sec 時為 Ag 之訊號，O 訊號在 500sec 開始與 Ag 同時出現，所以證明了 ITO 與 Ag 之間的 O 與 Ag 形成 AgO，

如前面所提到的 AgO 造成反射率之下降。

400 450 500 550 600 650 700

圖 4-24(A) 在 Sapphire 基板成長 u-GaN 沉積 ITO/Ag/Ni 之 Auger

Etch Time (sec)

Ag O Ni

(A)

圖 4-24(B) 在 Sapphire 基板成長 u-GaN 沉積 ITO/Ni/Ag 之 Auger 縱深分析圖

圖 4-24(C)為 Sapphire/u-GaN/ITO/Ni/Ag/Ni 之縱深分析圖，在蝕刻速率 0~100sec 之間 Ni 的訊號與 O 的訊號同時出現，證明了 NiO

Etch Time (sec)

Ag In O Ni

(B)

圖 4-24(C) 在 Sapphire 基板成長 u-GaN 沉積 ITO/Ni/Ag/Ni 之 Auger 縱深分析圖

0 200 400 600 800

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000

Area (CPS*eV)

Etch Time (sec)

Ag In O Ni

(C)

五、結論與未來工作 5-1 結論

1.在紅光發光二及體中，利用 SiC 取代傳統 GaAs 基板可以提升飽和

在文檔中 AlGaInP與GaN發光二極體之特性提升 (頁 57-0)

四、 結果與討論

4.1.2 SiC 基板發光二極體電性

GaAs substrate LED structure

ITO

N-pad

SiC substrate In

BeAu

LED structure ITO

P-pad P-pad

N-pad

SiC substrate

Si Sub.

Si Sub.

Si Sub.

In In In

Ti/Pt/Au Ag Ag Au

ITO

Auger

Auger

Auger

4.2 Ag 反射鏡面反射率之提升

4.2.1 添加 metal barrier 於 mirror 之反射率提升

4.2.2 使用 Auger 縱深分析-玻璃基板之薄膜

(A)

(B)

4.2.3 微結搆與原子力顯微鏡之分析

(C)

(A)

(B)

(C)

(C)

(B)

(A)

(C) (B) (A)

ITO Ag

ITO Ag

Glass sub.

ITO

Ag

(B)

(A)

4.2.4 NiO 穿透率之探討

4.2.5 在 Sapphire 基板成長 GaN 並沉積 Mirror 之反射率

(A)

(B)

(C)

五、 結論與未來工作 5-1 結論

四、結果與討論

五、結論與未來工作 5-1 結論