LED原理与制程

4.1高內部效率的設計4.2高光萃取效率結構設計4.3電流分佈的設計•4.1.1雙層異質結構–一個雙層異質結構包含發生復合的主動區，以及兩層包夾著主動區的侷限層，圖4.1為一個雙層異質結構的LED結構簡圖，其中的兩層包覆層（claddinglayer）或是侷限層（confinementlayer）的能隙比主動區能隙大。2•4.1.2主動區的摻雜–在主動區和侷限層的摻雜，對於雙異質結構LED效率有重大的影響。摻雜對內部效率的影響是多方面的，首先考慮在主動區的摻雜。–III-V族的砷化物或磷化物的雙異質結構LED之主動區一定不可重摻雜。–在主動區的特意摻雜有優點也有缺點。–磊晶過程也可能與摻雜有關。3•4.1.3p-n接面的位移–圖4.3為用二次離子質譜儀（SIMS）測量Zn受體在GaInAsP/InP的雙異質結構中的濃度曲線分佈圖。–由圖4.3(a)可看出Zn在上層侷限層的特意摻雜濃度分佈平穩，約為2×1017cm-3，且Zn即使有一些明顯地擴散到主動層，但大多仍被侷限在上層侷限層。然而在圖4.3(b)中，Zn在上層侷限層中有較高的特意摻雜濃度，約為2×1019cm-3。–圖4.3(b)的元件的量子效能比圖4.3(a)的元件低。4–圖4.4為Schubert等人在1995年發表解釋GaInAsP/InP雙異質結構中p-n接面位移的模型，此模型中假設當Zn超過臨界濃度Ncritical時擴散係數會快速地增加。5–侷限層摻雜濃度對雙異質結構雷射在臨界電流（閾值，threshold）的輻射效率之影響如圖4.7，圖中顯示在侷限層摻雜會對發光效能有劇烈的影響。6•4.1.5非輻射復合7圖4.8是兩顆平臺蝕刻的LED和兩顆平面的LED的光強度對時間的關係圖。–圖4.12顯示AlGaInP的LED長在GaAs的基底上時光強度的降低情況。–圖中顯示出當發生不匹配度超過3×10-3時（∆a/a3×10-3）時，光的輸出會快速的下降。8•4.2.3透明基板的技術–GaAs是一種非常成熟的基板，而操作波長560-660nm的可見光(AlxGa1-x)0.5In0.5P的LED可長在晶格匹配的GaAs基板上。–AlGaInPLED與GaP基板晶片接合（wafer-bond）的製程示意圖如圖4.15。9–圖4.16AlGaInP/GaAs（吸收基板，AS）與AlGaInP/GaP（透明基板，TS）LED之電流電壓特性圖。10–圖4.17是發光波長範圍相同的AlGaInP/GaP透明基板LED和AlGaInP/GaAs吸收基板LED的照片，由圖中可明顯看出吸收基板LED的基板部分因為吸收主動區發出的光而呈現較暗的顏色；而透明基板LED則可讓主動區發出的光穿透基板射出。11•4.2.4改變LED晶粒的外形–對於高效能的LED，在結構中除了主動層以外其他層的吸收外，半導體材料的高折射係數，會導致LED產生受限的光（trappedlight），如圖4.18所示。12–1960年代。當時提出最理想的LED外形為圓球形，其結構如圖4.19(a)所示。另外也有人提出圓錐狀的LED如圖4.19(b)所示。13–最普遍的LED結構就是長方體形的結構，如圖4.20(a)所示，這種LED晶粒的製造大都是沿著晶片的自然斷裂面而劈開的。–圖4.20(b)是改善長方體形LED萃取效率的圓柱形LED。14–以平面製程可行的製造技術來改善光萃取效率的商業上很有名之LED結構如圖4.21所示，•包含了臺座形的InGaN/SiCLED，其名稱為Aton（歐斯朗，2001），其照片與結構示意圖如圖4.21(a)、(b)；•以及截頭倒金字塔形（truncatedinvertedpyramid,TIP）AlGaInP/GaPLED（Krames等人，Lumileds公司，1999），其照片與結構示意圖如圖4.21(c)、(d)。•由4.21(b)和(d)圖所示的光線軌跡，可看出進入到金字塔底部的光線經過一次或多次內部反射後，可從半導體逃逸。1516–圖4.24即為一表面結構化的例子，經過適當的表面圖型設計，可以使得長在不透明基板之LED的光萃取效率增加30%左右，出光效率可以達到30lm/w。17•Gao等人和Fujii等人發表表面粗糙化的InGaNLED之光萃取效率的增加如圖4.26(a)所示。18•圖4.28為表面有奈米柱結構和沒有粗糙化的LED之(a)電流對輸出功率關係圖；及(b)電流對電壓關係圖。19–C.側壁粗糙化•利用將側壁糙化的方式，一樣可以增加LED的出光效率，元件結構圖如圖4.30所示。20•Huang等人的研究顯示，此有奈米結構之側壁粗糙化的LED結構在電性上與一般的LED相比，並沒有較大的漏電流產生如圖4.32(a)所示。•有奈米結構之側壁粗糙化的LED之輸出功率比一般LED增加了1.3倍，如圖4.32(b)所示。21•4.2.6抗反射層22圖4.33為有最佳厚度及折射係數的抗反射層示意圖。表4.2為數種適合用來當抗反射層的介電材料之折射係數及其透光波長範圍。•4.2.7布拉格反射鏡的使用–布拉格反射鏡（DistributedBraggReflector,DBR）是一種常用的高反射率之反射鏡，其結構是利用兩種不同折射率的材料重覆交錯堆疊而成，利用折射率週期性的變化，讓入射光可以在入射處形成建設性干涉，造成有很高的反射率，如圖4.34中右方的放大圖所示。23–圖4.38為全方向反射鏡LED結構示意圖。24–輸出光功率和電流的關係圖如圖4.39(a)所示，SampleA、B、C分別代表有製作矩形條紋和平面全方向反射鏡以及布拉格反射鏡的LED。在電性方面，圖4.39(b)為此三元件的電壓和電流的關係圖。25•圖4.42為此元件的輸入電流與輸出功率及輸出效率的關係圖。26•圖4.45分別是傳統GaNLED和垂直式GaNLED的結構圖及上視圖。27–C.具表面結構的垂直型氮化鎵LED•利用垂直型LED加上奈米錐的表面結構可以結合垂直型LED和表面結構化的優點來增加出光效率，圖4.47即為一出光表面有奈米錐的垂直型LED之元件剖面結構示意圖。28•由於在n型氮化鎵表面做出奈米錐的結構，增加了出光機會，如圖4.49所示。29•4.2.10濕式蝕刻圖形化藍寶石基板（patternsapphiresubstrate,PSS）–圖4.51為Lee等人利用濕式蝕刻圖形化藍寶石基板所製作的GaNLED的結構示意圖。30•4.2.11覆晶技術31(1)表面圖型化的覆晶LEDLee等人利用覆晶LED結構加上在藍寶石基板表面製作凹击的圓柱陣列來增加出光效率，元件結構圖如圖4.54。•圖4.55為藍寶石基板表面之掃瞄電子顯微鏡圖，表面圖形的深度分別為(a)1.1μm，(b)1.8μm，(c)2.7μm和(d)3.2μm，圓柱周期為5.5μm。32–(2)元件形狀化—覆晶LED•Huang等人發表用覆晶發光二極體，在藍寶石基板側邊上製作出形狀並在基板表面粗糙化，以雙重的方式增加出光效果。其製程流程圖如圖4.58所示。33•4.2.12交叉的接觸電極和其他幾何形狀的接觸電極–典型的上方接觸電極形狀如圖4.64所示。最簡單的幾何形狀是圓形的接觸銲墊如圖4.64(a)；圖4.64(b)為交叉形狀的接觸電極；4.64(c)為大面積LED之環型接觸電極。34–在光子晶體LED的設計上，一般常見的結構有兩種，一是表面光子晶體的蝕刻深度穿過LED主動層，如圖4.66(a)所示。–另一種是較常使用的，只在LED表面製作光子晶體結構，如圖4.66(b)所示。35–圖4.67是日本松下電器模擬計算光子晶體LED結構變化對增加光功率的影響。36–圖4.68為日本松下電器的藍光光子晶體LED之電子顯微鏡（SEM）照片，圖4.68(a)是在電子顯微鏡下看到的表面狀態，光子晶體分佈在右上方的n型電極和左下方的P型電極中間。圖4.68(b)是表面光子晶體結構之SEM照片。37–圖4.69是光子晶體LED在顯微鏡下操作的相片，可以看到光子晶體區域是全面在發光的。–圖4.70是光子晶體LED的輸出光功率和電流關係圖。38•4.2.14其它提升GaNLED光萃取效率的方法–H.P.Lee等人使用一個高透明低電阻的接觸結構應用在GaNLED上，如圖4.71所示。圖4.71為利用氧化物透明導電層改善光萃取效率（Sung-PyoJung等人，2005）39–2006年加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）的研究團隊直接將n型的ZnO基版以晶圓貼合（waferbonding）的方式覆蓋在氮化鎵(GaN)LED晶圓上，然後再以選擇性蝕刻將ZnO製作成截角金字塔型（truncatedpyramidshaped）的電極，如圖4.73所示。40–圖4.74為傳統金字塔ZnO與GaNLED的電極配置與結構圖（AkihikoMurai等人,2006與2008）。41–圖4.75顯示：(a)左圖為傳統鎳金電極，右圖為金字塔ZnO電極的LED元件照片。–(b)兩者的外部量子效率與操作電流關係圖。（AkihikoMurai等人,2006）42–圖4.76為新結構和舊結構的結構示意圖。43–圖4.77顯示：(a)高燎率的金字塔ZnO/GaNLED元件俯視圖與(b)操作發光的側面照。（AkihikoMurai等人,2008）44–圖4.78為高效率的金字塔ZnO/GaNLED外部量子效率與操作電流關係表。（AkihikoMurai等人,2008）45•4.3.1電流分佈層（current-spreadinglayer）–電流分佈層的實用性在LED的發展初期已被發現。Nuese等人（1969）利用電流分佈層大量增加GaAsPLED的光輸出功率，其實驗結果電流分佈層的效應如圖4.79所示。46•4.3.2電流分佈理論–圖4.84(a)為條狀形半導體雷射的剖面示意圖，雷射的電流分佈層位於p-n接面之上。–圖4.84(b)為圓形接觸電極下的情況，而圓形接觸電極是LED常用電極形狀。47•4.3.3成長在絕緣基板上的LED內的電流聚集現象–圖4.85(a)為一成長在絕緣體基板且p型層在上的平臺LED結構，圖中顯示出p-n接面電流聚集在平臺的邊緣的情形。圖4.85(b)為其對應電路模型，其中包含了p型接觸電極電阻及n型、p型侷限層的電阻，與以一理想二極體近似的p-n接面，電路模型亦顯示出了幾個距離為dx的節點。48–圖4.86是成長在藍寶石基板的InGaN/GaNLED所產生的電流聚集效應。49•4.3.5電流阻檔層（Current-blockinglayer）–圖4.90為使用電流阻擋層的LED結構之剖面示意圖。阻擋層位於上侷限層的上方，其尺寸大約與金屬接觸電極的大小相同。電流阻擋層有n型的導電性，且埋在於p型導電性的材料中，由於電流阻擋層的周圍形成p-n接面，因此電流會流過阻擋層周圍，如圖4.90所示。50