結論

對於本專題的結論和心得。

第

光子的數量與輸入電子的數量之比值，LED 也常計算其數值[5][6]。

任何 LED 的外部量子效率不只被內部量子效率(電子或電洞對光 子的機率換算)所決定，也被光子由活動層射出時從高折射係數化合 物半導體材料進入到周圍低折射係數材料時的穿透量所決定。內部量 子效率是量測藉由在 LED 的活動層內部注入電子而產生的部分光 子。外部量子效率η^ext等於內部量子效率η^int乘上取出率η^opt： η^ext = η^int * η^opt (2-1) 低的光輸出效率是固態 LED 的短處，所以增加外部量子效率以改善光 輸出效率是未來的趨勢。

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2- -- -2 2 2 電流展開結構 2 電流展開結構 電流展開結構 電流展開結構

2-2-1 AlGaInP LED的電流展開結構

一個常見的 AlGaInP LED 晶片是立方型的，有著一個環形的接觸 點在晶片中央的頂端，還有一個樣本或薄板金屬在其最底部。當 LED 操作時電流提供了一個流動，從晶片頂部接觸點至 P 型層與底下發生 光產生的接面。然而 P 型的 AlGaInP 層其阻抗是太高了，來自接觸點 的電流將不會明顯的展開，而將侷限在金屬接觸之下。LED 晶片內部 在接觸點之下光的產生是被限制和吸收的。對於高亮度的應用，頂端

接觸點的陰影是必須縮到最小的。最直接靠近縮小的接觸點陰影是成 長在一個高傳導穿透率的窗口，接著在之上成長侷限層，如圖 2-1。

圖 圖圖

圖2222----1 1 1 普通的1 普通的普通的AlGaInP普通的AlGaInPAlGaInPAlGaInP LED LED LED LED結構與電流流向路徑圖結構與電流流向路徑圖結構與電流流向路徑圖 結構與電流流向路徑圖

AlGaAs 和 GaP 兩種材料已經被成功的利用在 AlGaInP LED 的窗 口層上。近來，在 AlGaInP LED 另外的改善電流展開層取代技術是應 用於一個透明的傳導層，例如氧化銦錫(ITO)用在 LED 的頂部結構 [8][9]。這是與電流展開層有相似的觀念，而不是生長一個磊晶的窗 口層。一個傳導的 ITO 薄膜是藉由電子束蒸鍍機或噴射濺鍍系統沉積 在 LED 的頂端。

2-2-2 GaN LED的電流展開結構

由 GaN 作為基礎的 LED 成長在深藍色的絕緣基板上，它是必須使 用一個橫向的載子注入型二極體。儘管如此，運用一個橫向注入型在

於裝置操作的期間產生一個不均勻的電流展開的問題。而一個均勻的 電流展開於 TCL 是必須完成的，如此可藉由透明導電層(TCL)來避免 電流聚集和減少光子的吸收，而在 p-GaN 的頂端設計一個電流展開層 是必須是做一些取捨。我們可以找到一個從 p-pad 到 n-pad 的需要通 過垂直且橫向的透明接觸層電流。圖 2-2 顯示 LED 結構的截面圖，圖 中顯示從 p 到 n-pad 的可能電流路徑。

圖 圖圖

圖2222----2 GaN LED2 GaN LED2 GaN LED從2 GaN LED從從P從PPP到到到到NNNN可能電流路徑的截面圖可能電流路徑的截面圖可能電流路徑的截面圖 可能電流路徑的截面圖

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2- -- -3 33 3 電流攔阻 電流攔阻 電流攔阻 電流攔阻結構 結構 結構 結構

因為 LED 晶片結構組成是由一個金屬接觸部分覆蓋於表面的元 件，AlGaInP-或 GaN-based LED 其中一個問題是必須遭遇到光子位於 光射出的路徑上被金屬接觸吸收。光子的產生來自 P-pad 電極之下的 活動層，是可能被吸收或反射回晶片。反射回去的光子也將有被吸收

的可能，這是對光輸出效率沒有幫助的。然而有數個技術能藉由避免 注入電流直接流經 P-pad 電極之下與流經元件外部的接觸範圍，以減 少接觸遮蔽的問題。減少光在接觸之下產生，電流欄阻是其中之ㄧ改 良外部效率的方法。

2-3-1 AlGaInP LED的電流攔阻結構

一個供選擇的晶片結構是利用在外部成長厚的視窗層來減少頂 部接觸遮蔽與改良電流展開。這個晶片結構包含了相反載子類型的電 流攔阻層，進入到元件接觸點下方的結構中，如圖 2-3。這個電流攔 阻層允許電流注入從頂部的接觸點展開穿越窗口層，但防止電流直接 從 DH 範圍在吸收的接觸點之下(縮小遮蔽處由不透明的接觸)。

圖 圖圖

圖2222----3333 在接觸點之下的在接觸點之下的在接觸點之下的在接觸點之下的AlInGaP LEDAlInGaP LEDAlInGaP LEDAlInGaP LED的電流攔阻結構與傳統電流路徑的電流攔阻結構與傳統電流路徑的電流攔阻結構與傳統電流路徑的電流攔阻結構與傳統電流路徑 圖

圖 圖 圖

2-3-2 GaN-based LED電流攔阻的結構

在 GaN-based LED 的領域中，C. Huh 以及其他人提議 SiO²電流 攔阻層改良光輸出效率[10]。他們在 p-pad 電極的下方插入了一個 SiO²-CBL，在厚的 p-pad 電極去減少光的吸收與影響注入電流的展 開，如圖 2-4。有著一個 SiO²-CBL InGaN/GaN MQW LED 晶片在 20mA 時光輸出功率改良 62%，藉由與平常的 InGaN/GaN MQW LED 晶片去做 比較。因此我們在 p-pad 電極之下設計一個新奇的選擇高阻抗範圍 (SHRR)，當 GaN based LED 的一個攔阻層使電流均勻地展開[11][12]。

圖 圖 圖

圖2222----4444 有有有電流攔阻層的有電流攔阻層的電流攔阻層的GaN LED電流攔阻層的GaN LEDGaN LED結構圖GaN LED結構圖結構圖結構圖

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2- -- -4 4 4 光的萃取 4 光的萃取 光的萃取 光的萃取

2-4-1 介紹

發光二極體在主動區邊界兩端使用高能隙材料做多重量子井結構，將

會使光的萃取更有效率。所有發光二極體元件的外部量子效率不僅取 決於內部量子效率(將電子和電洞轉換為光子的可能性)也包含光子 從活動層射出的可能性，要避免從高折射係數的化合物半導體物質進 入低折射係數的週遭物質。內部量子效率是測量部分的光子藉由將電 子注入到發光二極體活動層所產生的光。η^A為發光二極體內部所產 生的光經過再吸收的遺失效率，而η^F和η^C為裝置內部全反射所導致 的。η^opt光取出效率等於η^A乘以η^F乘以η^C：

(2-2) η^A：吸收效率 η^F：Fresnel 遺失效率 η^C：臨界遺失效率

2-4-2 臨界角損失

臨界角損失起因於光子從發光二極體入射到空氣時入射角大於 臨界角，由 Snell 定理可知：

(2-3) θ¹與θ²分別為入射波與反射波和法線的夾角，當反射角θ²等於 90 度時，θ¹稱為臨界角θ^C。對於 A1GaInP 發光二極體而言，GaP 的折 射率 n=3.4，臨界角θ^C=17 度。光從 A1GaInP 發光二極體到達表面，

因角度大於 17 度而全反射回裝置內。因此，只有當θ小於 2θ^C=34 度時，才可以讓光從 A1GaInP 發光二極體入射到空氣中，如圖 2-5。

A1GaInP 發光二極體入射到空氣的臨界角效率因子為：

(2-4) 對 GaN LED 發光二極體而言，GaN 的折射率 n=2.4，臨界角θ^C=24.6 度。光從 GaN 到達表面，因角度大於 24.6 度而全反射回裝置內。因 此，只有當θ小於 2θ^C=49.2 度時，才可以讓光從以 GaN 為基底的發 光二極體入射到空氣中。以 GaN 為基底的發光二極體入射到空氣的臨 界角效率因子為：

(2-5)

圖 圖 圖

圖 2222----5 5 5 在於5 在於在於在於 A1GaInP LEDA1GaInP LEDA1GaInP LEDA1GaInP LED 的的的的 SnellSnellSnellSnell 定理定理定理定理

2-4-3 Fresnel損失

當光從折射率為 n¹的物質穿越折射率為 n²的物質，一部分的光 將從物質接面處反射回去，這種造成光的損失的現象稱之為 Fresnel 損失，其反射係數為：

(2-6) 接面的穿透係數為：

(2-7) Fresnel 損失的效率因子η^F為：

(2-8) 對 GaN 發光二極體而言，Frenel 損失發生於光從 GaN 入射到空氣時。

第

在頂部合併寬能隙材料與有適合的厚度和導電係數的材料以便從不 透明的頂部金屬接觸展開電流是必要的。

氮化鈦(TiN)是一種常用但很難氣相沉積的薄膜，主要應用在精 確且高性能的金屬零件。幸運地，當製程中薄膜厚度比可見光波長薄 很多時，通常不透明的氮化鈦等效於透明。Kiuchi etal.報告 TiN 薄 膜透射率在 20nm 大約 80%[16]。對於 TiN 的可看透明度(作為薄膜)、 環境。TiN 薄膜厚度和折射率由固定的波長 ellipsometer ULVAC

ESM-1(λ=632.8nm)測量。我們選擇沉積環境的理想參數藉由氮化鈦 效能和沉積時間、氣體比率、基底溫度和 RF 功率的關係。

圖 3-1 說明電阻率(μΩ-cm)與氣體比率和基底溫度的關係。依 照圖 3-1(a)，結果是顯著的，電阻率增加隨著 N²氣體的增加，意味 著氣體比率(Ar/N²)減少，最小的電阻率是在比率 10/2 時，因為進一 步增加 N²導致過度氮化的氮化鈦有高電阻率，這篇專題選擇氣體混合 比例 Ar：N²＝4：1 的情況，作為沉積環境參數。圖 3-1(b)說明薄膜 電阻率和基底溫度的關係。電阻率大幅下降從 350μΩ-cm 到 280μ Ω-cm 在 RF 功率 150W 時，因為 TiN 薄膜結構從非晶變成奈米晶格。

電阻率是越來越少隨著 RF 功率從 50W 到 150W 由於 TiN 薄膜密度增加。

圖 圖圖

圖 3333----1(a) 1(a) 1(a) 1(a) 薄膜電阻率和氣體比率的關係圖薄膜電阻率和氣體比率的關係圖薄膜電阻率和氣體比率的關係圖 薄膜電阻率和氣體比率的關係圖

圖

圖圖

圖 3333----1(b) 1(b) 1(b) 1(b) 薄膜電阻率和基底溫度的關係圖薄膜電阻率和基底溫度的關係圖薄膜電阻率和基底溫度的關係圖 薄膜電阻率和基底溫度的關係圖

總結以上談論，我們選取適當的製程參數沉積 TiN 薄膜至 LED 表 面，用 RF 功率 100W、操作壓力 5m~7m torr、Ar 氣流 10sccm、氣體 混合比例 Ar：N²＝4：1 和排除基底溫度的影響。我們將討論 TiN 薄 膜電阻率、透明度和折射率對 TiN 薄膜厚度的關係。

3-2-2 TiN 薄膜的特性

TiN 薄膜作為電流展開層應該有低片面電阻和高透明度。由於晶 格成長剛開始時，最初的表面是顆粒狀和粗糙的，使它難獲得非常稀 薄、連續的薄膜。當成長的過程持續進行，晶格擴展且變成連續的薄 膜。這連續的薄膜產生更好的傳導性，但透明度減退隨著薄膜厚度增 加。所以 TiN 薄膜厚度是一個重要因素，其透明度和傳導性的好壞必 須要做取捨。

圖 3-2 說明 TiN 薄膜片面電阻和厚度的關係。24nm 的 TiN 薄膜 片面電阻比其它厚度高，在片面電阻的最初的急劇減退隨著 TiN 厚度 的增加，據推測應此時開始形成連續的薄膜。

圖 圖圖

圖 3333----2 TiN2 TiN2 TiN2 TiN 薄膜片面電阻和厚度的關係圖薄膜片面電阻和厚度的關係圖薄膜片面電阻和厚度的關係圖 薄膜片面電阻和厚度的關係圖

圖 3-3 顯示 TiN 薄膜的透射率和厚度的關係在一個光波長 600nm 情況下。TiN 透射率線性地減少隨著 TiN 薄膜厚度增加。圖 3-4 顯示 TiN 薄膜折射率和厚度的關係。圖中可看出折射率增加隨著 TiN 厚度

圖 3-3 顯示 TiN 薄膜的透射率和厚度的關係在一個光波長 600nm 情況下。TiN 透射率線性地減少隨著 TiN 薄膜厚度增加。圖 3-4 顯示 TiN 薄膜折射率和厚度的關係。圖中可看出折射率增加隨著 TiN 厚度