壓印技術製作表面微結構應用於圖樣化藍寶石基板發光二極體之研究

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林佳裕(Jia-Yu Lin) 查詢紙本館藏

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光電科學與工程學系

論文名稱

壓印技術製作表面微結構應用於圖樣化藍寶石基板發光二極體之研究
(The research on applications of surface microstructure with imprinting technology in pattern sapphire substrate light emitting diodes)

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摘要(中)

隨著發光二極體在生活中的應用越來越為廣泛，對於其發光效率及光源的配置就格外顯的重要。本論文最主要的目的是藉由使用圖樣化藍寶石基板 (Pattern Sapphire Substrate, PSS) 及運用壓印技術(Imprint Technology) 製作表面微結構的發光二極體，來達到對發光效率的提升與遠場光型的調制效果。
我們使用四種不同結構的模具將微結構壓印於有、無圖樣化藍寶石基板之發光二極體表面上，相互作為比較，並分別進行電特性、光特性及遠場光型的量測，觀察其對發光效率及遠場光型的改變。
由實驗結果顯示，有壓印微結構於發光二極體表面的電特性與無壓印微結構相較，幾乎維持一致，證實運用壓印技術配合相關製程，並不會影響電特性。在出光表現上，在20mA電流操作下，有、無圖樣化藍寶石基板之發光二極體相比較，前者可提升光強度約1.5倍；製作壓印微結構於具圖樣化藍寶石基板之發光二極體，依據所製作的圓洞 (Hole) 、金字塔 (Pyramid) 、圓錐 (Cone) 以及光柵 (Grating)四種圖形結構，與沒有壓印微結構相比較，光強度分別提升27 %、12 %、13 %及26 %。光型調制方面，由壓印結構在無圖樣化基板之發光二極體表面的遠場光型圖，可以發現依不同的幾何結構，會得到相對應的光型改變；從壓印結構於有圖樣化基板之發光二極體表面的遠場光型圖來分析，所有具有壓印結構與沒有壓印結構的光型幾乎呈現一致，可知光源調制效果會由圖樣化基板所改變的光型所主導，顯示出微結構對有圖樣化基板的發光二極體來說，對整體輸出光型的影響並不顯著。

摘要(英)

With the wide application of LED, the LED light extraction efficiency and the arrangement of the light source are important. In this thesis, the surface microstructure by Pattern Sapphire Substrate (PSS) and Imprint Technology are employed to enhance the light extraction efficiency and modulate the far-field light pattern of LEDs.
There are four different configurations for imprinting the microstructure on the surfaces of the substrate with and without PSS. The electrical properties, light characteristics, and the measurement of far-field light patterns of these two substrates are used to observe the light efficiency and the variations of far-field light pattern.
From the experimental results, the electrical properties of the imprinting microstructure with and without PSS are consistent, which confirms the electrical properties are not affected by LED process and the imprinting method. In the light extraction efficiency, it can enhance the light output power of PSS LEDs to 1.5 times under the current of 20mA.
The LEDs with PSS are imprinted with four structures which are Hole, Pyramid, Cone, and Grating. Comparing with the conventional LED, it shows the light extraction enhancements of each structure are 27%, 12%, 13%, and 26% respectively. In the modulation of light pattern, the imprinting structure with different structures on the LED without PSS shows the correspondent far-field light patterns vary with the geometric structure types. Both of the light pattern which are with and without imprinting microstructure are consist by the analysis of the far-field light pattern of imprinted microstructure the PSS LED. It can be concluded that the effects of light pattern modulation are dominated by the microstructures on substrate of LEDs but slightly affected by the imprinted microstructure on the LED.

關鍵字(中)

★ 壓印技術
★ 圖樣化藍寶石
★ 發光二極體
★ 遠場光型圖
★ 光萃取效率

關鍵字(英)

★ LED
★ light extraction efficiency
★ far-field light pattern
★ imprinting technology
★ pattern sapphire substrate

論文目次

目錄
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
圖目錄 IX
表目錄 XII
第一章序論 1
1.1發光二極體對照明的優勢與應用 1
1.2發光二極體的發展歷程 2
1.3研究動機與方向 4
第二章實驗原理與文獻回顧 7
2.1壓印微影技術 7
2.1.1熱壓成形式奈米壓印 7
2.1.2旋轉玻璃材料 8
2.2發光二極體基本工作原理 10
2.3發光效率之定義 11
2.4光萃取效率影響因素 13
2.5遠場朗勃遜放射圖形 18
2.6文獻回顧 21
第三章實驗製程與步驟 32
3.1壓印模具製程 32
3.1.1光柵、圓柱模具 32
3.1.2金字塔、圓錐模具 34
3.2圖樣化藍寶石基板發光二極體之製程 37
3.2.1圖樣化藍寶石結構 37
3.2.2發光二極體晶片製作 37
3.3壓印微結構製程 43
第四章實驗結果與分析 48
4.1量測系統介紹 48
4.2電致發光量測與分析 53
4.2.1電特性量測 53
4.2.2光特性量測 55
4.3遠場光型量測與分析 59
第五章結論與未來展望 65
5.1結論 65
5.2未來展望 67
參考文獻 68
圖目錄
圖2.1 熱壓成形式奈米壓印之製程 9
圖2.2 發光二極體工作原理圖 11
圖2.3 考慮兩介質間的菲涅耳耗損現象 14
圖2.4 兩介質間全反射現象示意圖 15
圖2.5 逃脫角錐示意圖 16
圖2.6 導出朗勃遜放射圖形之幾何模型 (a)光在半導體中光入射至角度dφ，並在空氣中由角度dΦ放出光 (b)球型圓頂的微小面積單元dAair 19
圖2.7 發光二極體晶體表面所對應之遠場光型圖 (a)平坦化表面 (b)半球型表面 (c)拋物線型表面 (d)不同表面分別對應的遠場光型圖 21
圖2.8 OSRAM公司製作的發光二極體 (a)晶片塑型 (b)相對應的外部量子效率與電流函數圖 23
圖2.9 J. Y. Kim等人同樣利用特殊的加工方法製作的外型為三角形的發光二極體 (a)三角形與四角形發光二極體比較圖 (b)相對應的光強與電流函數圖 24
圖2.10 J. Y. Kim等人製做三角形發光二極體之遠場光型圖 24
圖2.11 C. Huh等人在p-GaN上製作的微米粗糙結構 (a)AFN圖 (b)粗糙化P-GaN表面，使得全反射被破壞的示意圖 25
圖2.12 H. Kim等人使用加溫磷酸濕蝕刻的方式在N型氮化鎵表面蝕刻出六角狀洞 (a)俯視圖 (b)橫截面圖 26
圖2.13 H. Kim等人對N型氮化鎵做表面粗化之發光二極體結構圖與相對應的反射關係 26
圖2.14 交通大學團隊發光二極體作蝕刻側壁 (a)結構圖 (b)SEM圖 27
圖2.15 T.S. Kim等人製作的發光二極體元件 (a)沒有製作任何微結構 (b)在P型氮化鎵上製作週期性微結構 (c)在銦錫氧化物上製作週期性微結構 28
圖2.16 Kim等人製作的發光二極體元件，由?、▲、●三個圖形所連成的曲線分別代表傳統、P型氮化鎵週期性結構與銦錫氧化物週性結構的發光二極體之I-V函數圖 29
圖2.17 交通大學研究團使用濕蝕刻製做圖樣化藍寶石基板(a)週期性圓洞SEM圖 (b)圖樣化藍寶石基板之光萃取示意圖 30
圖2.18 K. Bao等人利用壓印技術在覆晶型發光二極體的藍寶石基板上製作微結構之示意圖 31
圖3.1 光微影製程配合乾蝕刻方式製作模具之流程圖 33
圖3.2 光微影製程配合濕蝕刻方式製作模具之流程圖 34
圖3.3 圖樣化藍寶石基板 (a)結構示意圖 (b)SEM之俯視與橫截面圖 38
圖3.4 發光二極體磊晶層結構 39
圖3.5 孤立晶片平台製作之OM圖 40
圖3.6 透明導電層區域製作之OM圖 42
圖3.7 P、N電極區域製作之OM圖 43
圖3.8 壓印微結構於圖樣化藍寶石基板之發光二極體製作流程圖 46
圖4.1 電致發光電流-電壓量測系統基本結構示意圖 49
圖4.2 電致發光電流-電壓量測系統 50
圖4.3 積分球量測系統 51
圖4.4 電致發光角度解析量測遠場光形系統架設 52
圖4.5 壓印微結構於傳統發光二極體之電流-電壓曲線圖 54
圖4.6 壓印微結構於圖樣化藍寶石基板發光二極體之電流-電壓曲線圖 54
表目錄
表3.1 模具OM、SEM圖及尺寸條列表 37
表3.2 壓印結構之OM、SEM圖列表 47
表4.1 在20mA的電流操作下，壓印微結構於傳統發光二極體之順向電壓值列表 55
表4.2 在20mA的電流操作下，壓印微結構於圖樣化藍寶石基板發光二極體之順向電壓值列表 55
表4.3 在20mA與100mA的電流操作下， (a)壓印微結構於傳統發光二極體 (b)壓印微結構於圖樣化藍寶石基板發光二極體之電流-電壓曲線圖，兩組相對應的光強度表格 58
表4.4 在20mA與100mA的電流操作下， (a)壓印微結構於傳統發光二極體 (b)壓印微結構於圖樣化藍寶石基板發光二極體之電流-電壓曲線圖，兩組相對應的光強增加量 58

參考文獻

參考文獻
[1] S. Yoshida, S. Misawa, and S. Gonda, “Improvements on the electrical and luminescent properties of reactive molecular beam epitaxially grown GaN films by using AlN-coated sapphire substrates”, Appl. Phys. Lett., vol.42, pp.427-429, 1983.
[2] I. Akasaki, H.Amano, Y.Koide, K. Hiramatsu, and N.Sawaki, “Effects of ALN buffer layer on crystallographic structure and on electrical and optical-properties of GaN and Ga1-xAlxN films grown on sapphire substrate by MOVPE,” Journal of Crystal Growth, Vol. 98, pp.209,1989.
[3] S. Nakamura, “GaN growth using GaN buffer layer,” Japanese Journal of Applied Physics Part 2-Letters, Vol.30, pp. L1705,1991.
[4] I. Akasaki, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu, and N. Sawaki, J. Crystal Growth 98, 209 (1989).
[5] S. Nakamura, M. Senoh, and T. Mukai,” Highly p-typed Mg-doped GaN films grown with GaN buffer layer,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, pp. L1708, 1991.
[6] http://www.nichia.com/de/about_nichia/2006/2006_122001.html.
[7] ITRS, 取自http://public.itrs.net/
[8] S.Y. Chou, P.R. Krauss, W. Zhang, L. G. Guo, and L. Zhuang, “Sub-10 nm imprint lithography and applications,” Journal of Vaccuum Science & Technology B, Vol. 15, pp. 2897, 1997.
[9] S. Y. Chou, P. R. Krauss, “Imprint lithography with sub-10 nm feature size and high throughput,” Microelectronic Engineering, Vol. 35, pp.237, 1997.
[10] S. Y. Chou, P. R. Krauss, and P. J. Renstrom,“Imprint lithography with 25-nanometer resolution,” Science, Vol. 272, pp. 85, 1996.
[11] S.Y. Chou, P.R. Krauss, and P.J. Renstrom,” Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymers,“ Applied physics letters, Vol. 67, pp. 3114, 1995.
[12] 國立中央大學光電科學與工程學系，「光電科技概論」，五南出版社，2008
[13] E. Fred Schubert，「Light – Emitting Diodes」，CAMBRIDGE，2006
[14] 陳隆建，「半導體發光二極體及固體照明」，全華科技圖書股份有限公司印行，2007
[15] 史光國，「半導體發光二極體及固體照明」，全華科技圖書股份有限公司印行，2006
[16] M. R. Krames, G. E. Höfler, E. I. Chen, I. H. Tan, P. Grillot, N. F. Gardner, H. C. Chui, J. W. Huang, S. A. Stockman, F. A. Kish, and M. G. Craford, “High powertruncated inverted pyramid AlxGa12x.0.5In0.5P/GaP light-emitting diodes exhibiting >50% external quantum efficiency,” Applied physics letters, Vol. 75, pp. 2365, 1999.
[17] J. Y. Kim, M. K. Kwon, J. P. Kim, and S. J. Park, “ Enhanced Light Extraction From Triangular GaN-Based Light-Emitting Diodes,” IEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 19, NO.23, 2007.
[18] Chul Huh, Kug-Seung Lee, Eun-Jeong Kang, and Seong-Ju Park, “Improved light-output and electrical performance of InGaN-based light-emitting diode by microroughening of the p-GaN surface,” Journal of Applied Physics, Vol. 93, No. 11, pp.9383, 2003.
[19] H. Kim, J. Cho, J. W. Lee, S. Yoon, H. Kim, C. Sone, and Y. Park, “Enhanced light extraction of GaN-based light-emitting diodes by using textured n-type GaN layers, ” Applied physics letters, Vol. 90, pp. 161110, 2007.
[20] H. W. Huang, H. C. Kuo, J. T. Chu, C. F. Lai, C. C. Kao, T. C. Lu, S. C. Wang, R. J. Tsai, C. C. Yu, and C. F. Lin,” Nitride-based LEDs with nano-scale textured sidewalls using natural lithography,” Institute of physics publishing nanotechnology, vol. 17, 2006.
[21] T. S. Kim, S. M. Kim, Y. H. Jang, and G. Y. Jung, ”Increase of light extraction from GaN based light emitting diodes incorporating patterned structure by colloidal lithography,” Applied physics letters, Vol. 91, pp. 171114, 2007.
[22] Y. J. Lee, J.M. Hwang, T. C. Hsu, M. H. Hsieh, M. J. Jou, B. J. Lee, T. C. Lu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, “Enhancing the Output Power of GaN-Based LEDs Grown on Wet-Etched Patterned Sapphire Substrates,” IEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 18, NO.10, 2006.
[23] T. X. Lee, K. F. Gao, W. T. Chien, and C. C. Sun, “Light extraction analysis of GaN-based light-emitting diodes with surface texture and/or patterned substrate,“Optical Society of America, Vol. 15, No. 11, 2007.
[24] 張育嘉，「圖形化藍寶石基板應用於氮化加發光二極體之研究」，國立中央大學碩士論文，民國九十七年。
[25] K. Bao, X. N. Kang, B. Zhang, T. Dai, C. Xiong, H. Ji, G. Y. Zhang, and Y. Chen, “Improvement of Light Extraction From Patterned Polymer Encapsulated GaN-Based Flip-Chip Light-Emitting Diodes by Imprinting,” IEEE , Vol. 19, pp. 20, 2007.

指導教授

張正陽(Jenq -Yang Chang)

審核日期

2009-7-24

推文