4-1 VTF-LED 原理介紹
此種結構的發光二極體又稱為n-side up 的結構，將傳統發光二極體的 p 型 氮化鎵利用金屬在高溫高壓下和矽基板接合，再用雷射剝除技術(laser-lift off)將
原本的藍寶石基板去除，並以乾式蝕刻的方式將未掺雜的氮化鎵層去除，以減少 光子在材料中行進被吸收的機率，最後將電極蒸鍍在n 型氮化鎵上。其優點在於 將基板置換為高導熱性的矽基板，可大幅改善原本藍寶石基板散熱不易造成熱效 應使高電流操作下出光效率下降的影響，同時分別利用laser lift off 技術和乾式 蝕刻將藍寶石基板和未掺雜氮化鎵去除，大幅降低整體結構的厚度，使光子有更 高機率能從主動層放射到結構之外而不會被材料吸收，由於其高散熱性使得元件 可做成大面積 1mm x 1mm，為目前高功率發光二極體主要結構。
4-2 應用光致電化學於 VLED 之表面氧化製程
氮化鎵試片為有機氣相金屬沉積(MOCVD)在 C-plane(0001)氧化鋁進行磊晶 成長。首先在氧化鋁(sapphire)基板上成長氮化鎵緩衝層，接著成長 2µm 之 UID-GaN(unintentional-doped GaN)，接著成長 2µm 矽掺雜的 n 型氮化鎵 (GaN:Si)，之後再成長 5 對 InGaN/GaN 多重量子井為發光層，最後再成長 0.2µm
鎂掺雜 p 型氮化鎵，至此完成發光二極體主要結構。接下來為 VTF-LED 製程步驟，
將 p 型氮化鎵利用 Cr，Ag，Ni 等金屬在 350 度左右和矽基板接合，此即為晶圓 接合技術(wafer bonding technique)，接著用雷射剝離技術(laser lift-off technique)將藍寶石基板去除，再用 ICP dry etching 將未摻雜氮化鎵去除，以 及定義出 mesa 尺寸，為 1mm x 1mm，至此為 n-side up 的發光二極體結構。優 點在於將原本藍寶石基板置換成高導熱性矽基板，可大幅降低電激發時元件產生 的熱效應問題，由於導熱性增加，因此可將元件做成 1mm x 1mm 大尺寸，同時注 入 電 流 也 能 有 所 提 升 。 在 元 件 製 作 完 成 後 我 們 應 用 光 致 電 化 學 氧 化 法 於 VTF-LED，汞燈強度為 500 瓦，外加偏壓為 10 伏特，在三種不同成長時間下觀察 氧化層成長之變化，以及量測其電激發 L-I-V 特性圖。由於 VTF-LED 為 n-side up 結構，因此主動層放射之光子上出光會經由 n 型氮化鎵表面逸散至結構外，因此 我們在 n 型氮化鎵表面成長厚度約為 100 奈米氧化鎵以提昇 VTF-LED 外部出光 效率，製作流程如圖 4-1 所示。
4-3 實驗結果與討論
Beam view 光強度空間分布圖
圖 4-2 為 10 伏 20 分鐘氧化製程前後的 beam view 光強度空間分佈圖，在 50 毫安培注入電流下，經過光致電化學氧化製程後的 VTF-LED(右圖)，發光強度 較未經氧化製程的元件(左圖)有明顯增強。但由於氧化層為非均勻性成長，因此
只有 75%左右的 n 型氮化鎵區域成長出氧化鎵薄膜，在未成長氧化層之區域，發 光強度並無增加效果。
SEM 分析
圖 4-3 為 VTF-LED 結構經過不同時間光致電化學氧化製程後 SEM 圖。氧化時 間分別設定為 20 分鐘，30 分鐘，40 分鐘，由圖 5-3(a)可得知在 20 分鐘氧化製 程後，可在其 n 型氮化鎵表面成長約 100 奈米厚的糙化氧化薄膜，在此成長條件 下，氧化層薄膜並無破裂情形發生。圖 5-3(b)為經過 30 分鐘氧化製程後之情形，
由於應力釋放致使氧化層開始出現不規則龜裂表面，圖 5-3(c)為經過 40 分鐘氧 化製程之 n 型氮化鎵表面，可看出由於應力釋放碰撞致使氧化層薄膜產生突起，
其臨界厚度約為 175 奈米，超過 175 奈米厚度時氧化層開始產生破裂。
電激發 L-I-V 量測圖
圖4-4 為經由 20 分鐘氧化製程的 VTF-LED 電激發 L-I-V 量測圖。在高電流 100 毫安培注入時，可增加 36%外部量子效率，同時由 I-V 曲線可知其阻值並無
太大改變，顯示元件電性並無受到破壞。此元件 turn on 電壓約在 1.4 伏特，漏 電流約在 10 毫安培，此現象導因此 VTF-LED 在製作過程相當困難，推測為雷 射剝離(laser lift-off)藍寶石基板或晶圓接合(wafer bonding)時應力分布不均勻導
致元件受到破壞所致，但在光致電化學氧化前後元件漏電流大約相同，可知在此
參數下於VTF-LED 上進行光致電化學氧化製程並不會對元件造成損傷，且對光 輸出有正向的助益。圖4-5 為經由 30 分鐘氧化製程的 VTF-LED 電激發 L-I-V 量 測圖。在100 毫安培注入時可增加 21%外部光輸出效率，其元件電性由 I-V 曲線 可得知阻值並無改變。氧化時間增加10 分鐘光輸出效率反而從增加 36%下降至 21%，原因推測為 30 分鐘生成之氧化層由於體積密度不同導致應力釋放導致表
面產生龜裂和突起現象，此現象可能導致光輸出效益下降。圖 4-6 為經由 40 分 鐘氧化製程的VTF-LED 電激發 L-I-V 量測圖。和前兩種時間相較，光輸出效率 非但沒有上升，且有明顯下降，原因可能是長時間氧化造成氧化鎵薄膜受到嚴重 變形所致，以及長時間高電壓10 伏氧化造成金屬電極下方側邊氧化致使電極和 材料本身接觸面積變小，使得元件本身阻值上升導致發光效率下降。