行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
氮化銦鎵覆晶發光二極體之製作
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC93-2622-E-006-024-CC3
執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立成功大學微電子工程研究所
計畫主持人： 蘇炎坤
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢
中 華 民 國 94 年 6 月 13 日
1
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成 果 報 告
□期中進度報告 氮化銦鎵覆晶發光二極體之製作
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 93－2622－E－006－024－CC3
執行期間： 2004 年 05 月 01 日至 2005 年 04 月 30 日
計畫主持人：蘇炎坤 共同主持人：
計畫參與人員：官大明、陳冠群
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：國立成功大學微電子工程研究所 中 華 民 國 64 年 6 月 13 日
一、中文摘要
我們已成功地研製出氮化物系列的覆晶式氧化銦錫(ITO)發光二極體(LEDs)，並 發現它的20 mA的順向偏壓和輸出功率分別為3.32 V和14.5 mW。雖然覆晶式氧化銦 錫發光二極體的操作電壓略大，但其輸出功率卻比傳統非覆晶式的發光二極體大很 多。另外，覆晶式銦錫氧化物的發光二極體可靠度亦較佳。
關鍵字：覆晶，氮化鎵，氧化銦錫(ITO)，發光二極體(LED)
The flip-chip ITO LEDs by GaN based have been developed in this project, that the forward bias and output power is 3.32 V and 14.5 mW as operated at 20mA, respectively.
Although the operated voltage of flip-chip ITO LEDs is higher then the traditional one, the output power is higher. On the other hand, the reliability of the flip-chip ITO LEDs is higher.
Keywords: flip-chip, GaN, ITO, LED.
二、報告內容
I. 簡介
近來，關於氮化物系列材料的研究有長足的進展[1]–[6]。氮化物系列材料由於擁 有寬直接能隙特性，所以成為了光電工業中最有潛力且最重要的材料之一。在室溫 下，根據其元素組成比例的不同，氮化鋁銦鎵AlInGaN的能隙可由0.8eV變化至 6.2eV。因此，III–V族氮化物系列半導體常被應用於短波長的發光二極體 [7]–[13]，如 紅綠燈、全彩顯示器和固態照明等。
就照明而言，藉由氮化鎵藍光發光二極體晶片結合轉換波長的螢光粉所做出的 白光發光二極體已經商品化。從氮化鎵發光二極體晶片射出的藍光被螢光粉吸收後 再射出長波長的光。因此，藉由結合這兩種波段而產生白光。雖然白光發光二極體 的可靠度比白熾燈和日光燈來的長，但目前它的輸出功率仍然很低。換句話說，在 我們完成氮化物系列白光發光二極體封裝之前，我們必須先改善氮化物系列藍光發 光二極體的輸出強度。
傳統的氮化物系列藍光發光二極體，使用半透明的Ni/Au作P型氮化鎵的接觸電 極。然而，Ni/Au的穿透率約只有55-75%。一種提高輸出強度的方法，就是使用透 明的氧化銦錫(ITO)當作氮化物系列氮化物系列發光二極體P型的接觸電極[14]–[17]。近 來我們已研製出用n型InGaN/GaN短週期超晶格(SPS)穿隧式接觸層及ITO當作P型接 觸電極的藍光發光二極體[18], [19]。和傳統以Ni/Au當P型接觸電極的氮化物系列藍光 發光二極體比較，我們可以發現，由於ITO擁有較高的穿透率，所以用ITO當P型接 觸電極可以達到很大的光輸出(EL)強度。
1
效率和輸出功率都會變小。我們可以利用覆晶的技術來解決此問題[20]–[25]，如圖1(b) 所示。因為沒有電極和導線在元件表面，光子可以自由地從基板射出，所以我們可 以藉由覆晶的技術達到較高的輸出功率。而且還可以藉由在元件底層沉積一層反射 鏡的方式，將向下射出的光反射回來，進一步地改善輸出功率。
II. 研究目的
在本研究中，我們將覆晶技術應用在氮化物系列氧化銦錫發光二極體，並且用 鋁當作反射層。最後，我們會探討元件的物性，電性和光學性質。也會去比較覆晶 式ITO、非覆晶式ITO和非覆晶式Ni/Au發光二極體的特性。
III. 研究方法
在研究中，利用有機金屬化學氣相沉積技術(MOCVD)，將InGaN/GaN磊晶層長 在c-面 2-吋藍寶石Al2O3(0001)基板上。發光二極體結構包含了在550度C成長50 nm 厚的成核層(nucleation layer)，1050度C成長3 µm厚的矽摻雜n型氮化鎵緩衝層，770 度C成長的非刻意摻雜之InGaN/GaN多重量子井(MQW)主動區，1050度C成長50 nm 厚的鎂摻雜氮化鋁鎵電子阻隔層，1050度C成長25 nm厚的鎂摻雜P型氮化鎵，和 InGaN/GaN之n+–SPS穿遂接觸結構。
InGaN/GaN MQW主動區包含了五對3 nm厚之氮化銦鎵之井層和7 nm厚之氮化 鎵阻障層。另一方面n+-SPS穿遂接觸結構包含了四對的n型In0.23Ga0.77N/GaN (0.5 nm/0.5 nm)。在p型氮化鎵覆蓋層上成長SPS結構，並外加反偏電壓，可藉由穿遂效 應提升得到很好的歐姆型接觸 [18], [19]。隨後將成長完的樣本在氮氣中以750度C退火 20分鐘，以活化p型氮化鎵中的鎂。然後以蝕刻方式定義出元件之n型區域。隨後蒸 鍍80 nm厚之ITO層和200 nm厚之Al反射層在試片的表面(即矽摻雜之n+-SPS)。
由於ITO是具高穿透率的材料，而鋁具有高反射性，因此在覆晶中藉由此反射 歐姆接觸電極的設計，可以達到很大的光輸出值。為了測量反射層的反射率，我們 沉積相同的ITO/鋁在玻璃基板上，然後再由Hitachi U3010 分光儀系統測量ITO/Al 薄膜的反射光譜。另一方面，Ti/Al/Ti/Au接觸電極沉積在n型氮化鎵層上，當作n型 電極。然後用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)系統在晶片上沉積二氧化矽。沉積二 氧化矽的條件為60 sccm的SiH4和20 sccm的N2O，沉積的溫度和壓力分別保持在250 度C和10 mTorr。
在凸塊電鍍中，利用黃光微影及HF蝕刻溶液定義出P型及N型之電極圖案。必 須注意的是二氧化矽薄膜必需良好覆蓋整個元件。在電鍍之前，我們先在晶片上濺 鍍鎢化鈦當作球下金屬層(UBM)。以剝離技術完成P型及N型電極凸塊，最後電鍍 Sn/Au(15 µm/5 µm)層於試片上。將已完成的試片研磨至約120µm厚。接著切割出大 小為320×400µm的覆晶式氧化銦錫晶片。在打線過程中，晶片藉由die bonder system 撿選、定位與翻轉。並以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)來觀察覆晶式試片的物理特性。
我們也研製出具相同的磊晶結構及晶片大小的非覆晶ITO及非覆晶Ni/Au發光 二極體來作比較。最後利用膠將所有晶片封裝起來。要注意的是覆晶式發光二極體 在封裝前必須先將其固接在矽次基板上。以HP4156半導體參數分析儀室溫(RT)下量
測元件之電流-電壓(I–V)特性。藉由注入不同大小的直流電流於發光二極體中，並在 室溫下量測其光輸出特性。並以積分球量測出發光二極體的光輸出功率。我們同時 也對發光二極體進行可靠度測試。
III. 實驗結果及討論
從歸一化反射頻譜中(本文無顯示)可以發現ITO/Al薄膜的確會有相當高的反射 率，在入射光波長小於690 nm時，反射率高達85%。而在入射光波長範圍介於400 和450nm時，反射率甚至高於90％。因此，在覆晶的設之中，可以有效地藉由ITO/Al 薄膜當作反射鏡而將向下射出的光反射回來，如圖1(b)所示。圖2(a)為元件電鍍前的 SEM側視圖，可以清楚地看出PECVD二氧化矽薄膜具有良好的階梯覆蓋性，這樣良 好的階梯覆蓋性可以避免封裝後發生電性短路。
圖2(b)為已完成電鍍及剝離的SEM晶片圖。由此圖可知，利用剝離法可以定義 出良好的Sn/Au凸塊，這對於之後的覆晶步驟是相當重要的。
如圖3顯示為覆晶式ITO LEDs的強度-電流-電壓(L-I-V)特性曲線，非覆晶式的 ITO和Ni/Au發光二極體的L-I-V特性曲線也同樣在此做比較討論。從I-V曲線中可以 發現覆晶式ITO、非覆晶式ITO和非覆晶式Ni/Au發光二極體在操作電流為20 mA時 所量測到的順向偏壓，分別是3.32、3.24、和3.03 V。換句話說，從傳統的非覆晶式 Ni/Au發光二極體，我們可以得到最低的20 mA之操作電壓。非覆晶式ITO發光二極 體的操作電壓比傳統的Ni/Au大0.21V，這可以歸因於ITO和底部n+–SPS結構間具有 較大的接觸電阻[14], [15]。由於600 nm厚的PECVD二氧化矽披覆層是在250度C下所成 長，所以可能在n+–SPS上會有輕微的介面反應。我們相信，像這樣的介面反應會造 成較大的特徵接觸電阻，因而提升了發光二極體的順向操作電壓。雖然覆晶式ITO 的特徵接觸電阻是三種試片中最大的，但3.32V的順向電壓仍算不錯。
三種不同形式的發光二極體之強度-電流(L-I)特性曲線同樣顯示在圖3上。可以 發現非覆晶式ITO發光二極體比非覆晶式Ni/Au發光二極體擁有較大的輸出功率，這 是因為ITO透明度較Ni/Au來的高。也發現覆晶式ITO發光二極體的輸出功率比非覆 晶式ITO發光二極體來的大，再次歸因於覆晶式ITO的上層沒有電極和導線的存在。
另外值得注意的是，藍寶石基板和氮化鎵的折射率分別為1.7 和 2.5，因此發現發光 二極體所發出的光，從藍寶石/空氣介面(覆晶式發光二極體)射出比從氮化鎵/空氣介 面(非覆晶式發光二極體)來的容易。換句話說，擁有較小折射率的藍寶石基板可以 增加發光二極體的輸出強度。在注入電流為20mA時，得到非覆晶式ITO發光二極體 和非覆晶式Ni/Au發光二極體的輸出功率分別只有9.1和 5.6mW。相對地，在相同注 入電流下，覆晶式ITO發光二極體的輸出功率則可高達14.5 mW。
圖4為三種發光二極體在可靠度測試中，其歸一化亮度初始值。在可靠度測試 中，三種發光二極體都在室溫下注入30-mA的電流。燒測1000小時後，覆晶式ITO 發光二極體的發光強度衰減了9%，而非覆晶式ITO發光二極體和非覆晶式Ni/Au發光 二極體發光強度在相同時間內則分別衰減了29% 和 20%。我們已經知道較多的熱 量是在多重量子井MQW主動區產生，如圖1(a)和1(b)所示，熱的路徑在MQW主動區 之間且對於覆晶式發光二極體來說是較短且容易的，因此覆晶的技術可以改善LED 散熱特性。對於覆晶式發光二極體來說，MQW主動區所產生大部分的熱，可以容
3
易的傳到矽次基板。也因為有較小的熱效應，覆晶式ITO發光二極體因此擁有較佳 的可靠度，如圖4所示。
IV. 結論
總結來說，氮化物系列覆晶式銦錫氧化物發光二極體已經成功的被研製出，雖 然這種覆晶式銦錫氧化物的操作電壓稍大，但它的輸出功率卻比傳統非覆晶式的發 光二極體大很多。也可以發現覆晶式銦錫氧化物發光二極體具有較穩定的可靠度。
V. 參考文獻
[1] S. Nakamura, T. Mukai, and M. Senoh, “Candela-class high brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue light-emitting diodes,” Appl.Phys. Lett., vol. 64, pp.
1687–1689, 1994.
[2] I. Akasaki and H. Amano, “Crystal growth and conductivity control of group III-nitride semiconductors and their applications to short wavelength light emitters,”
Jpn. J. Appl. Phys., vol. 36, pp. 5393–5408, 1997.
[3] S. J. Chang, W. C. Lai, Y. K. Su, J. F. Chen, C. H. Liu, and U. H. Liaw,“InGaN/GaN multiquantum well blue and green light emitting diodes,”IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 8, no. 2, pp. 278–283,Mar./Apr. 2002.
[4] S. J. Chang, C. H. Chen, P. C. Chang, Y. K. Su, P. C. Chen, Y. D. Jhou,H. Hung, C.
M. Wang, and B. R. Huang, “Nitride-based LEDs withp-InGaN capping layer,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, no. 12,pp. 2567–2570, Dec. 2003.
[5] S. J. Chang, M. L. Lee, J. K. Sheu,W. C. Lai, Y. K. Su, C. S. Chang, C. J.Kao, G. C.
Chi, and J. M. Tsai, “GaN metal-semiconductor-metal photodetectors with low-temperature GaN cap layers and ITO metal contacts,”IEEE Electron Device Lett., vol. 24, no. 4, pp. 212–214, Apr.2003.
[6] L. W. Wu, S. J. Chang, Y. K. Su, R. W. Chuang, Y. P. Hsu, C. H. Kuo,W. C. Lai, T.
C. Wen, J. M. Tsai, and J. K. Sheu, “In0.23Ga0.77N/GaN MQW LEDs with a low temperature GaN cap layer,” Solid-State Electron.,vol. 47, pp. 2027–2030, 2003.
[7] R. Windisch, B. Dutta, M. Kuijk, A. Knobloch, S. Meinlschmidt, S.Schoberth, P.
Kiesel, G. Borghs, G. H. Dohler, and P. Heremans, “40% efficient thin film surface textured light emitting diodes by optimization of natural lithography,” IEEE Trans.
Electron Devices, vol. 47, no. 7, pp.1492–1498, Jul. 2000.
[8] Y. C. Lin, S. J. Chang, Y. K. Su, T. Y. Tsai, C. S. Chang, S. C. Shei, S. J.Hsu, C. H.
Liu, U. H. Liaw, S. C. Chen, and B. R. Huang, “Nitride-based light-emitting diodes with Ni/ITOp-type ohmic contacts,” IEEE Photon.Technol. Lett., vol. 14, no. 12, pp.
1668–1670, Dec. 2002.
[9] L. W. Wu, S. J. Chang, Y. K. Su, R. W. Chuang, T. C. Wen, C. H. Kuo,W. C. Lai, C.
S. Chang, J. M. Tsai, and J. K. Sheu, “Nitride-based greenlight emitting diodes with high temperature GaN barrier layers,” IEEE Tran. Electron Devices, vol. 50, no. 8, pp.
1766–1770, Aug. 2003.
[10] C. S. Chang, S. J. Chang, Y. K. Su, Y. Z. Chiou, Y. C. Lin, Y. P. Hus,S. C. Shei, J.
C. Ke, H. M. Lo, S. C. Chen, and C. H. Liu, “InGaN/GaN light emitting diodes with rapid thermal annealed Ni/ITO p-contacts,”Jpn. J. Appl. Phys., pt. 1, vol. 42, no. 6A,
pp. 3324–3327, 2003.
[11] Y. Z. Chiou, Y. K. Su, S. J. Chang, J. F. Chen, C. S. Chang, S. H. Liu,Y. C. Lin, and C. H. Chen, “Transparent TiN electrodes in GaN metalsemiconductor-metal ultraviolet photodetectors,” Jpn. J. Appl. Phys., pt.1, vol. 41, no. 6A, pp. 3643–3645, Jun. 2002.
[12] S. J. Chang, C. H. Kuo, Y. K. Su, L.W.Wu, J. K. Sheu, T. C.Wen,W. C.Lai, J. F.
Chen, and J. M. Tsai, “400 nm InGaN/GaN and InGaN/AlGaN multiquantum well light-emitting diodes,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 8, no. 4, pp.
744–748, Jul./Aug. 2002.
[13] J. K. Sheu, J. M. Tsai, S. C. Shei,W. C. Lai, T. C.Wen, C. H. Kou, Y. K.Su, S. J.
Chang, and G. C. Chi, “Low-operation voltage of InGaN/GaN light-emitting diodes with Si-doped In0.3Ga0.7N/GaN short-period superlattice tunneling contact layer,”
IEEE Electron. Device Lett., vol. 22,no. 10, pp. 460–462, Oct. 2001.
[14] K. M. Chang, J. Y. Chu, and C. C. Cheng, “Highly reliable GaN-based light-emitting diodes formed by p – In0.1Ga0.9N - ITO structure,”IEEE Photon. Technol. Lett., vol.
16, no. 8, pp. 1807–1809, Oct. 2004.
[15] S. Y. Kim, H. W. Jang, and J. L. Lee, “Effect of an indium-tin-oxide overlayer on transparent Ni/Au ohmic contact on p-type GaN,” Appl.Phys. Lett., vol. 82, pp.
61–63, 2003.
[16] S. M. Pan, R. C. Tu, Y. M. Fan, R. C. Yeh, and J. T. Hsu, “Enhanced output power of InGaN-GaN light-emitting diodes with high-transparency nickel-oxide-indium-tin-oxide ohmic contacts,” IEEE Photon.Technol. Lett., vol. 15, no. 5, pp. 646–648, May 2003.
[17] “Improvement of InGaN-GaN light-emitting diodes with surfacetextured indium-tin-oxide transparent ohmic contacts,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 5, pp. 649–651, May 2003.
[18] C. S. Chang, S. J. Chang, Y. K. Su, C. H. Kuo, W. C. Lai, Y. C. Lin, Y.P. Hsu, S. C.
Shei, J. M. Tsai, H. M. Lo, J. C. Ke, and J. K. Sheu, “High brightness InGaN green LEDs with an ITO on n++-SPS upper contact,”IEEE Trans Electron. Dev., vol. 50, no. 11, pp. 2208–2212, Nov. 2003.
[19] S. J. Chang, C. S. Chang, Y. K. Su, R.W. Chuang, Y. C. Lin, S. C. Shei,H. M. Lo, H.
Y. Lin, and J. C. Ke, “Highly reliable nitride-based LEDs with SPS+ITO upper contacts,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 39, no.11, pp. 1439–1443, Nov. 2003.
[20] J. J. Wierer et al., “High-power AlGaInN flip-chip light-emitting diodes,” Appl.
Phys. Lett., vol. 78, pp. 3379–3381, 2003.
[21] J. Song, D. S. Leem, J. S. Kwak, O. H. Nam, Y. Park, and T. Y. Seong,“Low resistance and reflective Mg-doped indium oxide-Ag ohmic contacts for flip-chip light-emitting diodes,” IEEE Photon. Technol. Lett.,vol. 16, no. 6, pp. 1450–1452, Jun. 2004.
[22] A. Chitnis, J. Sun, V. Mandavilli, R. Pachipulusu, S.Wu,M. Gaevski, V.Adivarahan, J. P. Zhang, M. A. Khan, A. Sarua, and M. Kuball, “Selfheating effects at high pump currents in deep ultraviolet light-emitting diodes at 324 nm,” Appl. Phys. Lett., vol. 81, no. 18, pp. 3491–3493,2002.
[23] M. Koike, N. Shibata, H. Kato, and Y. Takahashi, “Development of high efficiency GaN-based multiquantum-well light-emitting diodes and their applications,” IEEE J.
Sel. Topics Quantum Electron., vol. 8, no. 2, pp.271–277, Mar./Apr. 2002.
5
[24] K. Tadatomo, H. Okagawa, Y. Ohuchi, T. Tsunekawa, T. Jyouichi, Y.Imada, M.
Kato, H. Kudo, and T. Taguchi, “High output power InGaN ultraviolet light plus emitting diodes fabricated on patterned substrates using metalorganic vapor phase epitaxy,” Phys. Stat. Sol. (A), Applied Research, vol. 188, no. 1, pp. 121–125, 2001.
[25] K. Tadatomo, H. Okagawa, Y. Ohuchi, T. Tsunekawa, Y. Imada, M. Kato, and T.
Taguchi, “High output power InGaN ultraviolet light-emitting diodes fabricated on patterned substrates using metalorganic vapor phase epitaxy,” Jpn. J. Appl. Phys., pt. 2, vol. 40, no. 6B, pp. 583–585, 2001.
圖1 結構圖(a)傳統的氮化物系列發光二極體(b)覆晶式發光二極體
圖2 (a) 電鍍前元件的SEM圖(b)整個晶片在電鍍及lift-off後之SEM圖
7
圖3 三種發光二極體的L-I-V特性曲線
圖4 發光二極體可靠度測試下其歸一化亮度值
