二、 文獻回顧與理論背景研究
2.2 高亮度高功率發光二極體
2.2.3 高功率藍光發光二極體原理
因雷射剝離技術及晶圓接合技術的搭配，而讓發光二極體能朝高亮度高 功率特性的方向發展，使其有更大的發揮空間和前景。因此，有許多的研 究團隊致力於提高發光二極體的發光亮度及其功率，在不考慮磊晶品質的 條件下，依現在的研究發現主要的概念有二方面：提高光取出效率
（Light-extraction efficiency）及減少熱效應（Joule-heat effect），以下分別對 這兩個主題作說明。
1. 提高光取出效率（Light-extraction efficiency）
半導體發光二極體的輻射發光效率（Radiant efficiency，ηR）又被稱為 功率轉換效率（Wall-Plug efficiency，ηwp）是光輸出功率與輸入功率之比，
其數值如式2.2 所示。
ηwp ＝ ηext × ηv （2.2）
ηext：外部量子效率 ηv：電壓效率
而外部量子效率（External quantum efficiency）數值的大小則可由下面 的公式做表示［21］：
ηext ＝ ηinj × ηrad × ηopt （2.3）
ηinj：電流注入效率（Injection efficiency）
ηrad：內部量子效率（Internal quantum efficiency or Radiative efficiency）
ηopt：光取出效率（Optical efficiency or Light-extraction efficiency）
ηinj數值的提升主要是使電流能有良好的分佈及減少各材料間的接觸 電阻。關於電流分散層（Current Spreading layer）則有 X. A. Cao 等人［22
］及等人J. Song［23］的研究，在此不做描述。ηrad數值的大小主要是由
(1) 幾何變形（Geometrically deformed）：
當光從高折射率的半導體材料（nGaN＝2.5）傳至空氣中（nair＝1）
時，只有在臨界角（Critical Angle）內之光可以完全被射出，其它的光 則在內部反射或被吸收。Schad 等人［24］用理論計算有斜邊結構的 Sapphire（nSap＝1.785）與 SiC（nSiC＝2.7）基板中傾斜角τ對光取出功 率之影響（圖2-6），發現當τ＝ 64˚時，光取出效率增加最多（圖 2-7）。
如圖2-8 所示，如為傳統的方形結構則其光取出路徑只有編號為(1)的區 域，當傾斜64˚時則光取出路徑包含了(1)及(2)的區域，大幅提高了光的 取出機率使其亮度提升。Osram 公司利用此法，將原本的平面方形 SiC
基板GaN 發光二極體做成斜邊後（ATON）使光放出效率由 25%增加至 52%。
(2) 覆晶技術（Flip-chip technology）：
主要是因為發光二極體的封裝方式的限制（圖2-9），使得元件的發
(3) 表面織狀結構（Surface texturing）：
主要是藉由表面粗糙的結構來減少全反射的發生，利用增加光的射 出路徑進而提高元件的發光亮度（圖2-12）［26］。在1993 年時 I. Schnitzer 等人率先利用此種表面組織結構使外部量子效率由9%增高至 30%。而 C. Huh 及 T. Fujii［27］等人也利用此方式有效的提高元件的發光效率
（圖2-13）。
(4) 反射鏡面（Reflective mirror）。
因為紅光發光二極體所使用的砷化鎵（GaAs）基板為不透明的吸光 材料，藉由布拉格反射層（Distributed Bragg Reflector：DBR）［28］（圖 2-14）及高反射率的金屬［29］（如：Ag、Pt、Al）使二極體發出的光 不被吸收（圖2-15）。而對於藍光發光二極體則無吸光基板的問題，因 此、大多會配合晶圓接合技術將磊晶層轉移置至高導熱的導電基板上，
將會再下一個主題作詳細的解說。
圖2-6 幾何改變形狀 LED 示意圖（ATON）。［24］
圖2-7 比較 SiC 及 Sapphire 基板用 ATON 結構之光取出效率與角τ 之關係圖。［24］
圖2-8 ATON-Chip 的光取出路徑示意圖。［24］
圖2-9 傳統的發光二極體封裝示意圖。［25］
圖2-10 覆晶型發光二極體結構示意圖。［25］
圖 2-11 覆晶型與傳統發光二極體光取出效率比較圖。［25］
圖2-12 不同表面粗糙度的可能光行進路徑。［26］
圖2-13 傳統與經表面粗糙化的 LED 分別在(a) Sapphire 和(b) Transparent metal layer 面檢測的發光功率差異。［27］
圖 2-14 DBR 型發光二極體示意圖。［28］
圖2-15 利用鏡面反射層防止光被吸光基板所吸收。
2. 減少熱效應（Joule-heat effect）
隨著順向注入電流的增加也使得發光二極體產生較多的熱能，因為基板 的導熱性不佳造成熱能聚集而使得二極體的特性下降（圖2-16）［30］。經 由導熱基板的替換或加大元件尺寸［31］可提升其發光功率。
在導熱基板的置換上，R. H. Horng 等人［32］［33］及 S. J. Wang 等人
［34］利用高導熱的導電性基板去取代藍寶石。如表 2-1，配合鏡面反射層
（Al、Pt、Ag）的應用，使其對於元件的亮度及功率都有大幅的提升。
R. H. Horng 使用 p+-Si sub.及 Ag mirror layer 使元件在 20mA 驅動電流 下，發光強度有2 倍的提升，也使元件能在 700mA 電流下驅動，與傳統藍 寶石基板相比約有2 倍的提升（圖 2-17）。Horng 等人也使用電鍍銅及 Ag mirror 的方法（圖 2-18）去提升其散熱性和銅不易切割的問題，使元件在 20mA 驅動下，發光強度有約 1.5 倍的提升，驅動電流也可提升至 180mA，
與傳統藍寶石基板相較約有2.5 倍的提升（圖 2-19）。
圖 2-16 元件特性和溫度的關係。［30］
Thermal Conductivity (W/m-K) Sapphire 39
Copper 401 Aluminum 247
Silicon 141 Nickel 90 表2-1 各種塊材材料的熱傳導係數。
圖2-17 Si sub.與 Sapphire sub.藍光發光二極體的 L-I 圖。［32］
圖2-18 E.P. Cu/Ag/LED 結構的 SEM 俯視圖。［33］
圖2-19 Electroplating Cu sub.與 Sapphire sub.藍光發光二極體的 L-I 圖。［33］
三、 實驗方法
選擇不同的晶種層（Seed Layer）或是配合阻障層（Barrier Layer）的應 用，再進行銅的電鍍過程後，使用膠帶測試是否對矽晶圓有足夠的附著性，
此為第一個簡易的測試步驟。
(2) Cu/Si 基板的退火過程
當利用電鍍技術將銅沈積於矽晶圓上後，可經由退火的過程來判別中間