簡介

1-1 發光二極體(Light-Emitting Diodes, LEDs)之發展

發光二極體之發展最早追溯到1907 年美國 H. J. Round 提出 SiC LED [1] ，將 SiC 晶體與金屬電極接觸形成蕭特基二極體(Schottky Diode)，但此二極體的材料特性很差。1969 年 SiC 製程技術的進步及

p-n 接面的製作，美國奇異公司提出功率轉換效率 0.005%的 SiC 藍光

LED [2]。爾後幾年 SiC 非直接能隙的特性使其效率無法提升，直到 1993 年 Edmond 才提出波長 470nm，功率轉換效率 0.03%的 SiC 藍光 LED [3]。

1950 年以氣相磊晶(Vapor Phase Epitaxy, VPE)及液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy, LPE)成長 GaAs 基板及 GaP、GaAsP 材料。1962 年美 國奇異公司 Holonyak 和 Bevacqua 以氣相磊晶法將 GaAsP 成長於 GaAs 基板上，發表首顆在可見光波段 p-n 接面的 GaAsP 紅光 LED [4]。

然而GaAsP 與 GaAs 基板晶格不匹配產生大量晶格缺陷以及磷含量過 高形成非直接能隙材料使得發光效率無法提升，於是 1969 年 Nuese 以很厚的 GaAsP 緩衝層來降低與 GaAs 基板之間的晶格缺陷 [5]。

GaAsP LED 低成本低亮度的特性目前主要作為指示燈泡用途。1963 年Allen 等人在 p-GaP 摻雜錫(Sn)，發表第一顆 p-n 接面 GaP LED [6]。

由於GaP 非直接能隙的特性，需藉 由摻雜均電性雜質使電子動量偏

2 

移來達到動量守恆。1968 年 AT&T 貝爾實驗室 Logan 等人在 GaP 中 摻雜氮，提出EQE=0.6%的 GaP 綠光 LED [7]。

1980 年由於 AlGaAs 材料與 GaAs 基板晶格匹配具有高磊晶品質，

開始用來製作高亮度LED。1982 年日本東北大學 J. Nishizawa 等人提 出單異質結構(Single Heterojunction, SH)AlGaAs 紅光 LED [8]，然而 主動層AlGaAs 能隙大於基板 GaAs 能隙，大量的光會被基板吸收， 因 此 1983 年 日 本 松 下 公 司 H. Ishiguro 提 出 雙 異 質 結 構 (Double Heterojunctions, DH)及應用透明 AlGaAs 基板製作紅光 LED，其雙異 質結構大幅增加載子注入效率，同時也解決了 GaAs 基板吸光問題

[9]。AlGaAs 材料雖然可以用來製作高亮度 LED，但是當 Al 比例大

於0.45 會變成間接能隙材料，因此 AlGaAs 材料只適用於紅光波段。

1990 年有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)設備的出現，開啟了高 亮度AlGaInP LED 的製作。與 AlGaAs 相比 AlGaInP 具有寬廣的能隙，

可應用於紅光(625nm)、橘光(610nm)及黃光(590nm)波段。1990 年美 國HP 公司 C. P. Kuo 等人最先提出封裝後 EQE>2%，成長在 GaAs 基 板上的

p-n 接面 AlGaInP 黃光 LED [10]，同年日本 Toshiba 公司的

H. Sugawara 等人以AlGaAs 窗戶層(Window Layer)製作 EQE=1.5% 的 AlGaInP 橘光 LED [11]，希望利用窗戶層增加側面出光及電流擴散均 勻性。1992 年美國 HP 公司 K. H. Huang 等人提出 EQE>6%，以 15

μ m

~

45 m μ

厚 GaP 當作窗戶層的 AlGaInP LED [12]，其概念與 AlGaAs 窗戶層類似但GaP 擁有更大的能隙及透光率。為了解決 GaAs 基板吸 光問題，1993 年日本 Toshiba 公司 H. Sugawara 等人提出 DBR 結構，

該結構可以反射朝基板入射的光避免被基板吸收 [13]。隨即 1994 年 美國HP 公司 F. A. Kish 等人提出 GaP 透明基板結構，將吸光的 GaAs 基板蝕刻去除並利用晶圓鍵合技術靠凡得瓦力貼在透光的 GaP 基板 上 [14]。1999 年美國 HP 公司 M. R. Krames 等人提出倒金字塔 (Truncated Inverted Pyramid, TIP)結構，將元件側面斜切35°增加出光 臨界角，封裝後EQE=55% [15]。DBR 結構雖然可以反射入射光，但 是大角度入射仍有很高的穿透率導致基板吸光，因此 1999 年洪瑞華 教授提出薄膜金屬反射鏡(Thin Film Metal Mirror)LED [16]，利用

Au/AuBe/SiO /Si 當作金屬反射鏡，其中2 SiO /Si 導熱性佳但導電性差。₂ Si 的高導熱性可以使元件產生的熱迅速排除，藉由觀察發光頻譜可以 驗證高導熱性使得發光峰值波長沒有漂移。發光二極體各發展階段之 元件結構如圖

1.1。

4 

Thin Film Metal Mirror

GaAsP:N 材料及 GaP:N 材料提供，唯獨以氮化物為主的藍光 LED 發 展相對緩慢，主要因為沒有晶格匹配的基板導致成長磊晶層界面有應 力產生，晶格缺陷過高無法提升發光效率。此外

p 型 GaN 的成長因

為摻雜物(Mg)容易與氫氣產生鍵結而降低電洞濃度，直到 1986 年日 本名古屋大學的H. Amano 以 MOCVD 在低溫下成長 AlN 作為緩衝層，

有效降低GaN 與藍寶石基板之間的晶格缺陷 [17]。之後 Nichia 公司 的S. Nakamura 也以低溫成長 GaN 緩衝層，此階段 GaN 磊晶技術獲 得重大突破。此外在1989 年 H. Amano 以低能量的電子束照射 Mg 摻 雜的

p-GaN [18] 以及 1992 年 S. Nakamura 以高溫熱退火方式順利解

決了高摻雜濃度

p-GaN 製作的問題 [19]。1996 年 S. Nakamura 以藍

光LED 激發釔鋁石榴:鈰(YaG:Ce)螢光粉製作全世界第一顆白光 LED，

從此開啟白光LED 照明的新頁。

藍寶石基板也有許多缺點，例如藍寶石基板常溫下的電阻率很大，

導電率低無法用來製作傳統垂直結構 LED，必須將 p 型及 n 型電極 製作於同一側，導致元件有效發光面積減少及橫向電流在元件轉角處 形成電流壅塞(Current Crowding)。再來藍寶石基板的導熱性很差，大 量的熱無法排除也會造成發光效率及元件壽命下降。由於高濃度

p-GaN 製作不易，傳統藍寶石基板 LED 晶片結構會在其電極鍍一層

透明導電層(Transparent Conductive Layer , TCL)，除了可以達到歐姆

6 

Conventional Sapphire SiC Metal Mirror

GaN

1960 1970 1980 1990 2000 2010

0.1

1-2 研究動機與目的

對於紅光波段的 AlGaAs 及 AlGaInP 材料，其高折射率 n=3.6 造 成光在半導體/空氣界面的臨界角只有^{sin 1 3.6−1}

( )

^{= °，約16 1 4}

ⁿ

^{2 =2%}

的光才可以離開元件，其餘的光在元件內部多次全反射後被主動層吸 收 或 是 金 屬 電 極 損 耗 導 致 很 低 的 光 萃 取 效 率(Light Extraction Efficiency, LEE)。許多增加光萃取效率的研究被提出例如晶片塑形 (Chip Shaping)、表面粗化結構(Surface Texture)、圖形化基板(Patterned Sapphire)、共振腔結構(Resonant Cavity)及光子晶體結構(Photonic Crystal, PhC)等。以下將對目前已提出的結構做介紹。

(1) 晶片塑形

傳統 LED 為長方體結構，即使多次全反射後入射角始終大於臨 界角無法出光，因此可以藉由晶片幾何形狀來改變光的反射路徑。例 如1999 年美國 HP 公司 M. R. Krames 等人所提出的倒金字塔結構 [15]

及Osram 公司斜切 SiC 基板使光萃取效率與長方體結構相比由 25 % 提升至 52 %。由此可知光子在元件中平均路徑長度的減少可以避免 材料內部的損耗。

(2) 表面粗化結構

表面粗化可以減少半導體與空氣界面的全反射而提升光萃取效 率。1973 年 Bergh 等人最先在美國專利中提出表面粗化的構想，並

8 

且在元件底部製作反射鏡面 [21]。直到 1993 年加州大學的 I. Schnitzer 等人以自然蝕刻法(Natural Lithography)將 n-AlGaAs 表面粗化及運用 雷射剝離技術(Laser Lift Off)將基板移除以製作反射鏡面，EQE 由 9%

提升至30% [22]。對於 GaN LED 亦可以藉由 p-GaN 表面粗化來提 升光萃取效率，然而

p-GaN 表面粗化會破壞其磊晶層使得透明導電

層製作不易，因此藉由控制磊晶成長過程來形成自然表面粗化是較為 可行的方法。

(3) 圖形化基板

GaN 磊晶層改以橫向磊晶的方式成長於圖形化基板上可以減少 晶體缺陷密度，提高內部量子效率。亦可以藉由圖形化基板上的不平 坦結構來改變光子反射路徑。2006 年 Nichia 公司利用圖形化基板及 ITO 透明導電層將白光 LED 的發光效率提高至 150lm/W [23]。

(4) 共振腔結構

通常共振腔結構包含一個主動層、共振腔體及兩個相鄰的布拉格 反射鏡面。當主動層處於一個與發光波長尺寸相近的共振腔體中，光 源經由鏡面來回反射在腔體形成共振或是駐波，藉由共振修正主動層 的自發性放射過程使得只有特定波段的光可以射出元件，進而縮短光 譜線寬。1992 年 Schubert 等人最先提出具體的共振腔結構 [24]。

(5)光子晶體結構

週期性介電質結構可以對電磁波產生破壞性干涉，形成光子能隙 (Photonic Bandgap)。當光子晶體應用於主動層中，可以利用柏塞爾效 應 (Purcell Effect) 來 提 高 主 動 層 的 輻 射 復 合 速 率 (Radiative Recombination Rate) ， 或 是 利 用 光 子 能 隙 的 概 念 將 波 導 模 態 (Waveguide Mode)耦合成輻射模態(Radiation Mode)。當光子晶體製作 於元件表面上可以利用週期性結構形成布拉格散射(Bragg Scattering) 改變光子行進路線。

對於垂直結構發光二極體而言，電流擴散(Current Spreading)均勻 性問題也會影響出光效率。高阻值材料導致電流不易擴散，大部份電 流集中於電極正下方，電子電洞對在電極正下方復合使得輻射的光大 部份被電極阻擋。因此低阻值高透光率材料例如ITO 透明導電層普遍 應用於目前的發光二極體元件。

為了解決上述垂直結構發光二極體所面臨的全反射及電流擴散 均勻性問題，本論文提出金屬孔洞電極結構。金屬孔洞電極提供的布 拉格散射機制可以使原先大於臨界角的入射光有機會藉由散射改變 其反射路徑，進而提高光萃取效率。此外週期性金屬孔洞結構也能提 供良好的電流擴散均勻性。

10 

n⁺  GaAs

12 

圖1.5 薄膜金屬孔洞電極發光二極體製程步驟。

Layer 1 及 Layer 7 分別是 n 型金屬孔洞電極與整面 p 型電極。

Layer 2 及 Layer 6 分別是厚度 10nm、摻雜濃度

5 10 cm ×

^{18 −3}的

n 型及 p 型 GaAs 接觸層(Contact Layer)。Layer 3 及 Layer 5 分別是厚度 2μm、

摻雜濃度

1 10 cm ×

^{18 −3}的

n 型及 p 型 Al

_0.4Ga_0.6As 披覆層(Cladding Layer)。

Layer 4 是厚度 100nm、摻雜濃度

8 10 cm ×

^{17 −3}的

p 型 GaAs 主動層

(Active Layer)。金屬孔洞電極週期長度為 A，正方形孔洞長度為 a，

電極厚度為

h。Al

xGa1-xAs 披覆層其 Al 比例 x=0.4 高能障可以阻擋載 子流出主動層形成漏電流。為了形成良好的歐姆接觸，使用低能隙且 高摻雜濃度

5 10 cm ×

^{18 −3}的 GaAs 當作接觸層。然而接觸層的能隙比主 動層發出光源的平均光子能量低會吸收損耗，因此接觸層的厚度越薄 越好，以能達到良好歐姆接觸的厚度為上限。

n⁺ GaAs n⁺  AlGaAs p⁺  AlGaAs p⁺ GaAs p⁺ GaAs n Si Substrate

SiO2

AuBe Au

n⁺ GaAs n⁺  AlGaAs p⁺  AlGaAs p⁺ GaAs p⁺ GaAs

n Si Substrate SiO2

AuBe Au

( )

removed by

trichloroethylene TCE

reactived ions

(h) (i)

第二章將針對 LED 的理論詳加介紹。2-1 節中求解馬克斯威爾方 程式並配合傅立葉模型法(Fourier Modal Method, FMM)來得到金屬 孔洞電極的波特性。2-2 節中以 Newton-Jacobin Iteration Method 及 Newton-Raphson Method 數值分析技巧處理載子所需遵守的泊松方程 式、穩態電子電洞連續方程式。2-3 節中以蒙地卡羅光跡追蹤法 (Monte-Carlo Ray-Tracing Method)追蹤每顆光子在元件內部的傳播行 為並計算元件的外部量子效率。此外當考慮光子循環效應下可用來計 算主動層載子產生速率。

第三章將模擬不同條件下最佳化的外部量子效率，例如改變主動 層厚度、改變金屬電極週期長度

A 與孔洞長度 a、改變電極厚度 h 及

孔洞內填充SiO 與沒有填充₂ SiO 的比較。此外也將表面粗化 LED 結₂ 構的表面粗糙度最佳化，同時藉由模擬傳統平面式及表面粗化結構來 與金屬孔洞電極發光二極體的外部量子效率做比較。

1-4 發光效率

LED 外部量子效率與載子注入效率(Injection Efficiency)、內部量 子效率(Internal Quantum Efficiency)、光萃取效率(Extraction Efficiency) 有關。考慮光子循環效應(Photon Recycling Effect)下，我們額外定義 光子循環效率(Photon Recycling Efficiency)。以下將分別介紹這些效

14  率的基本定義。

(1) 載子注入效率

η

_inj

載子注入效率為流入主動層內部的載子數與電極注入載子數的 比值。

(2) 內部量子效率

η

_IQE

流入主動層內部的載子部份會輻射復合發光，另一部分非輻射復 合產生熱。其中輻射復合光子數與電子電洞對總復合數的比值稱為內

流入主動層內部的載子部份會輻射復合發光，另一部分非輻射復 合產生熱。其中輻射復合光子數與電子電洞對總復合數的比值稱為內

在文檔中 利用金屬孔洞電極提升發光二極體之外部量子效率 (頁 11-26)