結果與討論

經過兩種光源不同能量的雷射處理後的實際影像如表與表所示，表 2-1 為試片經 過KrF excimer 雷射處理，由此可得知，此雷射系統可以將 sapphire 剝離的臨界能量 約為800mJ/cm²，故700 mJ/cm²的能量尚未能將其基板剝離。當雷射系統所設定的能 片，其經過200、300、400 mJ 雷射能量處後的粗糙度方均根值分別為 14、34、44 nm。

表示經過越高能量的Nd:YAG 雷射處理，其粗糙度的差異也越大。

圖 2-5 經由 KrF excimer laser (a) 800 mJ/cm²、(b) 900 mJ/cm²和(c) 1000 mJ/cm² 三種不同雷射能量處理後的 AFM 表面形貌之影像。

表 二-1 GaN LED 經過四種不同能量的 KrF excimer 雷射處理後的情況。

表 二-2 GaN LED 經過四種不同能量的 Nd:YAG 雷射處理後的情況。

圖2-7 為三組試片：KrF-LED、YAG-LED 與 Cv-LED 在正偏壓下的 I-V 曲 線。很明顯的三組試片起始電壓Vf 值（3.2 V）皆相同，甚至在高電流（100 mA）

的注入下也無特別的異常。這同時也代表LED 元件在兩次 BCB 樹脂接合與基板 轉移的實驗過程並沒有受到傷害。另外，KrF-LED、YAG-LED 與 Cv-LED 三組 LED 的發光亮度各分別為 84、81 與 96 mcd。雖然 KrF-LED 與 YAG-LED 的亮 度看似衰減，但其分析衰減原因應該是因為二次接合時的BCB 樹脂吸收了部份 的光而導致LED 在亮度量測數值上的減少，並非元件受到傷害。然而，逆向偏 壓下所觀察的漏電流現象卻與正偏壓的情形相當不同。圖2-8 顯示了三組試片在 逆偏壓下的I-V 曲線。綜觀經過 200 mJ 的 YAG 雷射處理的 YAG-LED 試片中，

約有80%的元件有明顯的漏電流問題。而經過 800 mJ/cm²的KrF 雷射處理的 KrF-LED 試片中，則約有 60%元件的漏電流比 Cv-LED 要稍微高了一些，但是 都在商業化LED 的規範之內。KrF-LED、YAG-LED 與 Cv-LED 三組 LED 在 -5 V 的電壓下其漏電流的值分別為 1.65×10³、0.17 與 0.05 nA。總和上述的電性與 亮度的量測，發現其經過不同光源雷射處理的LED 元件在漏電流的部份有很明 顯電性上的劣化，但是這劣化多侷限在逆偏壓下漏電流的影響，而不會造成元件 的起始工作電壓Vf 與發光亮度的影響。

圖 2-7 三組試片在正向偏壓下的 I-V 曲線。

許多文獻曾針對 GaN 的元件做過許多漏電流研究，1998 年 Kozodoy 等人[17]利 用GaN 側向成長（ELOG）的方式去比較差排密度與 GaN p-n junction 在逆偏壓下漏 電流的關聯性，其結果證明了減少差排密度確實可以進一步降低漏電流。2001 年 Hsu 等人利用SIVM （scanning current voltage microscopy）與 AFM 的影像證明了螺旋差 排、混和差排與漏電流有直接關係[18,19]。2002 年 Miller[20]等人利用 conductive-AFM 來量測GaN schottky diodes，其結果提到螺旋差排應為 GaN 元件漏電流的主要路徑。

2003 年 Simpkins 等人[21]則使用 SKPM（scanning Kelvin probe microscopy）與 conductive-AFM，其結果同樣認為螺旋差排應為 GaN 元件漏電流的主要路徑。2004 年Li 等人[22]則利用量化的螺旋差排數據與實際電性量測的結果來推定螺旋差排與 漏電流之間的直接關係。至此，我們可以得知在GaN 元件的結構上，其漏電流可能 與螺旋差排的密度有高度相關。

為了觀察螺旋差排在 KrF-LED 與 YAG-LED 裡的分佈，在此實驗中將使用 TEM

（transmission electron microscopy ）並搭配 two-beam image 的技術來觀察這兩種試片 的螺旋差排密度之差異。圖2-9 與圖 2-10 為 KrF-LED 和 YAG-LED 在(0002) two beam 條件下所拍攝的影像。兩者圖片中的TEM 影像由上至下的結構分別為：GaN/sapphire 雷射剝離界面、u-GaN、n-GaN、MQW、p-GaN。由於在(0002) two beam 的條件下只 會讓螺旋差排顯示在影像中，因此從這兩張TEM 的影像可以很清楚的看出在整個結 構（bulk region）中的 KrF-LED 螺旋差排密度明顯的比 YAG-LED 少了許多。差排密 度的定義為〝差排數量除以單位面積〞，在此實驗中將搭配在TEM 的 EELS (electron

圖 2-9 KrF-LED 的低倍率 TEM 影像。圖中標是之兩點為 EELS 所探測的地方，圖中標示之曲線為 EELS 的能譜曲線。

圖 2-10 YAG-LED 的低倍率 TEM 影像。圖中標是之兩點為 EELS 所探測的地方，圖中標示之曲線為 EELS 的能譜曲線。

3.75×10⁸與2.9×10⁹ cm^-2。由TEM 的結果顯示 YAG-LED 在整個結構(bulk region)中的 螺旋差排密度約為KrF-LED 的十倍之多。造成這明顯的差異，最直接可能造成的原 因是GaN 本身對不同波長的吸收係數與有關！1997 年 Muth 等人[24]曾對 GaN 的吸 收係數、能隙、束縛能等基礎性質做過詳細的探討。圖2-11 畫出了 Muth 等人對 GaN 對不同之波長吸收係數的結果。其結果顯示GaN 材料吸收係數對 3.5eV 以上的能量 才會有明顯的反應。對照此次實驗的雷射系統，355 nm 的 Nd:YAG 雷射相對 GaN 吸 收係數約為6×10⁴ cm^-1，而248 nm KrF excimer 雷射約為 2×10⁵ cm^-1。換句話說，GaN 對Nd:YAG 雷射的吸收深度比 KrF excimer 雷射還要來的深。所以，當那經過多次聚 焦的高能Nd:YAG 雷射束射入 GaN 而在內部被吸收時，可能會造成材料內部一連串 局部且快速的熱分解，不管是吸收過程所造成的瞬間熱膨脹或是熱分解後內部所釋出 的氮氣壓力，都可能會造成材料內部(bulk region)晶體結構受到極大的應力而產生的變 形或破壞，進而形成差排甚至是微裂縫的產生（μ-creak），而這些缺陷則可能是造成 YAG-LED 元件漏電流有如此明顯差異性的原因。反觀 KrF-LED，因為 GaN 對 KrF excimer 雷射有較高的吸收係數。所以大部分所射入的雷射都在剝離界面被吸收完 畢，剝離界面的熱分解現象比YAG-LED 劇烈。而雷射剝離的過程在材料內部的進行 熱分解現象並不明顯，所以也不會造成漏電流與差排密度的明顯增加。

圖 2-1 (a)文獻中對 GaN 之吸收係數，(b)為圖(a)圈選處之放大圖。[24]

雖然圖 2-9 和 2-10 的 TEM 結果顯示，YAG-LED 元件內部的缺陷比 KrF-LED 來的多，但是在這實驗中也觀察到另一個有趣的現象。圖2-12(a)和圖 2-13(a)為針對 KrF-LED 與 YAG-LED 在剝離界面附近（superficial region）所拍攝的 TEM 影像。這 兩者在剝離界面附近（superficial region）缺陷密度的差異卻與上述材料內部（bulk region）的結果大相逕庭。KrF-LED 在剝離界面以下至 200 nm 附近會有非常密集的缺 陷存在於此，而YAG-LED 卻並非如此。而且這樣的差異並非是局部的現象，若仔細 觀察圖2-9 和圖 2-10 的大範圍 TEM 影像也可發現 KrF-LED 在剝離界面附近的缺陷確 實比YAG-LED 來的多。圖 2-12(b)和圖 2-13(b)為 KrF-LED 與 YAG-LED 的剝離界面 處的微觀結構，可以清楚的觀察出兩者試片在剝離界面以下40 nm 附近都可以發現相 當密集的缺陷存在於此。圖2-12(c)(d)和圖 2-13(c)(d)則是兩者在圖上箭頭所指方位的 TEM 影像所作的 FFT（fast Fourier transforms ）分析。發現不論是 KrF-LED （圖 2-12(c)）或 YAG-LED（圖 2-13(c)）(0001)和(000 )繞射點，都會出現朝向中心拉長1 的現象。通常繞射點會出現這種現象是因為存在著相當密集的stacking faults。而圖 2-12(d)和圖 2-13(d)則是 40 nm 以下區域（如圖中箭頭所指處）的 FFT 影像，清楚的 晶格繞射點則代表了此區域的晶格結構較為完整。故，經過兩者不同光源的雷射剝離 都會在界面處出現同樣深度的stacking faults。圖 2-12(e)和圖 2-13(e)各為兩組試片在 剝離界面下200 nm 處所拍攝的高倍率 TEM 晶格影像，如圖 2-13(e)所示 YAG-LED 在

振動波（elastic, plastic and shock wave）〞三者的關聯性。故，根據 Chen 等人的研究，

KrF excimer 雷射剝離所造成塑形變形和振動波的損傷只侷限在界面附近，並不會讓 材料內部深處受到傷害。

圖 2-2 (a)為 KrF-LED 剝離界面處之 TEM 影像。(b)為 KrF-LED 近剝離界面處的 HR-TEM 影像。(c)箭頭所指處的 FFT 處理後的晶格繞射點。(d)箭頭所指處的 FFT 處 理後的晶格繞射點。(e) KrF-LED 剝離界面下約 200 nm 處之晶格影像。

圖 2-3 (a)為 YAG-LED 剝離界面處之 TEM 影像。(b)為 YAG-LED 近剝離界面處的 HR-TEM 影像。(c)箭頭所指處的 FFT 處理後的晶格繞射點。(d)箭頭所指處的 FFT 處 理後的晶格繞射點。(e) YAG-LED 剝離界面下約 200 nm 處之晶格影像。

圖 2-4 文獻中使用 KrF excimer laser 對 GaN 做雷射剝離處理後 (a)界面處低倍率，

(b) 界面處中倍率，(c) 界面處高倍率下的 TEM 影像。[25]

圖2-15 為 Chen 等人所繪製的 Χ-t 圖，其縱軸為脈衝雷射所施加的〝時間〞，

橫軸為GaN 從表面至材料內部的〝距離〞。當脈衝雷射射入 GaN 時，剛開始會 產生彈性波（elastic wave）並在材料內傳遞，由於傳遞過程中止會對 GaN 造成 彈性變形，故並不會造成破壞。當雷射持續的時間越來越久超過tY（yield time）

後，塑形波（plastic wave）就會產生，而且脈衝雷射所施加的時間越久，越後面 所產生塑形波的傳遞速度也會越快。當脈衝時間大於臨界時間（critical time）t0： 10 ns 時，後來產生速度較快的塑形波會趕上之前速度較慢的塑形波，如此密集 的塑性變形聚集於此（大約在離GaN 剝離界面 170 nm 的地方）進而導致振動波

（shock wave）的形成，同時也導致材料在此處有明顯且密集的缺陷出現。而振 動波會在表面與內部之間來回傳遞，傳遞的過程中會使得材料晶格受到變形與破 壞，而破壞的同時也其能量也慢慢地消散。最後，能量消散後的振動波以彈性波 的形式在材料內部傳遞，而彈性波的傳遞過程並不會對材料產生破壞性的影響。

圖 2-5 Chen 等人模擬 GaN 在雷射處理過程中會產生 laser induce sock wave 的 損傷機制之X-t 圖。[25]

反觀本實驗所使用的雷射系統，KrF excimer 雷射的脈衝時間為 35 ns，而 Nd:YAG 雷射為 6 ns。所以，根據 Chen 的條件，在此實驗中所使用的 KrF 雷射 脈衝時間明顯高於〝產生振動波的臨界時間〞：10 ns，而 Nd:YAG 雷射脈衝時間 則低於10 ns。是故，KrF-LED 在剝離界面 200 nm 處所觀察到的密集缺陷（圖 a）

應該是Chen 等人所謂〝laser induce shock wave〞的現象所導致，而 200 nm

處紊亂排列的晶格影像（圖2-12(e)）則可能是由於振動波在傳遞過程中所造成 的晶格變形所致。另一方面，YAG-LED 由於雷射脈衝時間尚不至於引發振動波 的形成，所以在界面200 nm 處並不會觀察道明顯的晶格變形與破壞。

圖2-16 為根據上述的 TEM 影像之研究所繪製而成的雷射剝離損傷機制示意 圖，由於GaN 對 248 nm KrF excimer laser 的吸收係數較高，所以雷射能量大多 在界面就被吸收完畢。而且較長的脈衝時間會導致塑形波與振動波的產生，所以 在剝離過程所形成的缺陷大多只局限於剝離界面的表面區域（superficial

region）。另一方面，GaN 對 355 nm Nd:YAG laser 的吸收係數較小，所以雷射的

region）。另一方面，GaN 對 355 nm Nd:YAG laser 的吸收係數較小，所以雷射的