二元與四元位障層應用於氮化銦鎵綠光二極體之光性分析

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李政鴻(Zheng-Hong Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

二元與四元位障層應用於氮化銦鎵綠光二極體之光性分析
(Optical analysis of InGaN green LED by using binary and quaternary barrier)

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摘要(中)

本論文是利用氮化合物半導體系列的材料作為綠光發光二極體，且吾人認為活性層氮化銦鎵(InGaN)的相分離(phase separation)情形，是提高量子效率重要的因素，故在本研究中是利用磊晶的條件與材料來促使形成。
本論文可分為三部份第一是元件的製作過程；第二是利用成長氮化鎵(GaN)位障層時溫度的變化，來討論活性層(InGaN)的相分離狀況；第三則是改變位障層材料為氮化鋁銦鎵(AlInGaN)，經由活性層所受應力的改變來觀察相分離情形。在量測方面分別以變溫光子激發光量測(Photoluminescence , PL)與變電流電子激發光量測(Electroluminescence , EL) 以及光強度量測(box car L-I)，從以上光的分析定義其相分離影響發光機制的差異，並探討相分離在光強度上的貢獻。
最後吾人發現其活性層相分離的情形，是跟應力的釋放有關，故氮化鋁銦鎵位障層之試片展現出明顯的相分離，而在光亮度的表現上也是以相分離較明顯之試片為最佳。

摘要(英)

In this thesis, InGaN/GaN and InGaN/AlInGaN multiple quantum well (MQW) light emitting diode were grown by low pressure metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD). There are two versions of the emission mechanism in multiple quantum well. One is dominated by quantum well state, the other is dominated by localized state due to the In-rich regions in quantum well. Because the long wavelength InGaN LEDs have to increase the composition of indium in InGaN layer, they form the In-rich regions, so called phase separation ,easily in InGaN layer. In the past study of the In-rich regions, they have found that the formation of In-rich regios in the InGaN layer could be radiative centers for recombination of carriers, and improved the internal quantum efficiency in the multiple quantum well. Therefore, we will enhance the formation of In-rich regions in the InGaN layer by changing growth condition and material in this thesis.
Firstly, we vary the growth temperature of barrier(GaN) to lead to congregate of indium in InGaN layer. But they are not evident that the emission mechanism is influenced with the In-rich regions from photoluminescence and electroluminescence measurement . So, it is difficult to enhance the In-rich regions by the growth temperature of barrier. Because the congregate of indium is formed due to strain release in InGaN layer, we make it in the InGaN layer easily by using the AlInGaN barrier instead of the GaN barrier. From photoluminescence and electroluminescence measurement, the In-rich regions in the InGaN layer are really clear by using the AlInGaN barrier instead of the GaN barrier. Moreover, the optical intensity of LED with AlInGaN barrier is stronger than that of LED with GaN barrier. For the long wavelength LED, it is important to form the formation of In-rich regions in the InGaN laye

關鍵字(中)

★ 氮化鋁銦鎵
★ 量子井
★ 氮化銦鎵
★ 綠光二極體

關鍵字(英)

★ AlInGaN
★ green LED
★ quantum well
★ phase separation
★ InGaN

論文目次

第一章　導論 1
第二章　元件結構原理與製程 3
2-1 元件結構原理……………………………………………….3
2-2 元件製作過程……………………………………………….7
第三章　不同溫度成長二元位障層之光性分析 15
3-1 序論………………………………………………………..15
3-2 光子激發光量測…………………………………………..17
3-3 變電流電激發光量測..……………………………………25
3-4 本章總結…………………………………………………..33
第四章使用四元位障層(AlyInxGa1-x-yN)之光性分析 34
4-1 序論………………………………………………………..34
4-2 光子激發光量測…………………………………………..36
4-3 變電流電激發光量測……………………………………..43
4-4 本章總結…………………………………………………..48
第五章　結論 49
參考文獻 51
圖、表目錄
圖1氮化合物半導體之晶格常數與能帶寬………...………….………2
圖2-1 氮化銦鎵量子井綠光發光二極體結構圖…….………………..3
圖2-2 氮化銦鎵量子井結構之綠光二極體製程流程圖…………….13
圖2-3 氮化銦鎵量子井結構之綠光二極體製程示意圖……..……...14
圖3-1 變溫光子激發光量測設備圖………………..………………...18
圖3-2 改變氮化銦鎵量子井結構中位障層氮化鎵的成長溫度，在30K時做光激發光的光譜量測並比較各成長溫度的光譜差異….19
圖3-3 成長氮化銦鎵量子井結構時，其活性層氮化銦鎵薄膜因成長溫度的反應情形……………………………………………….19
圖3-4 氮化銦鎵綠光二極體之不同溫度成長氮化鎵位障層試片，所做X-ray繞射量測圖…………………………………………..20
圖3-5 氮化銦鎵綠光二極體之不同溫度成長位障層“氮化鎵”試片，做變溫光子激發光的能量變化圖………………………..23
圖3-6 氮化銦鎵綠光二極體之不同溫度成長位障層“氮化鎵”試片，做變溫光子激發光的半高寬變化圖…………………….24
圖3-7氮化銦鎵綠光二極體之不同溫度成長位障層“氮化鎵”試片，在常溫下注入直流20mA的光強度比較………….……25
圖3-8氮化銦鎵綠光二極體之不同溫度成長位障層“氮化鎵”試片的光激發光譜Arrhenius圖，並比較其量子井的侷限能力….26
圖3-9氮化銦鎵綠光二極體之850℃成長位障層“氮化鎵”試片，隨著週期性電流注入下的光強度與能量變化……….………….28
圖3-10單層量子井受到自由載子屏蔽效應的能帶變化……….…...29
圖3-11氮化銦鎵綠光二極體之850℃成長位障層“氮化鎵”試片，隨著週期性電流注入下的半高寬變化…………………..…..30
圖3-12氮化銦鎵綠光二極體之850℃成長位障層“氮化鎵”試片，在30K時隨著週期性電流注入下的光強度與能量變化..….31
圖3-13氮化銦鎵綠光二極體之850℃成長位障層“氮化鎵”試片，在30K時隨著週期性電流注入下的半高寬變化……………32
圖4-1使用氮化鋁銦鎵做為位障層之氮化銦鎵綠光二極體的低溫光激發光譜量測圖…………………………………………….....36
圖4-2分別比較使用氮化鎵與氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體，經725℃/10min熱處理後低溫時的光激發光譜的變化……………………………………………..………………..37
圖4-3不同In含量下對應到其成長溫度後，所形成氮化銦鎵的材料型態圖(參考APL Vol.69 p.2701,1996)…………….……….38
圖4-4使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，在不同溫度下做熱處理的光譜比較……………….………………....39
圖4-5使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，隨不同熱處理溫度下P2在300K~30K的Arrhenius圖….………..40
圖4-6使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，經725℃/10min熱處理後的變溫光激發量測光譜圖……………….41
圖4-7使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，其P1與P2的變溫能量位置變化………………..……………….…41
圖4-8使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，分別在光激發與電激發時光譜的比較……………….…………..…..43
圖4-9使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，隨週期性電流注入下的光強度與能量變化..……………….….….....44
圖4-10使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，隨週期性電流注入下的半高寬變化……………………….……..45
圖4-11使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，低溫時隨週期性電流注入下的光強度與能量變化……..……….46
圖4-12使用氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體試片，隨週期性電流注入下的半高寬變化…………….………………..46
圖4-13分別使用氮化鎵與氮化鋁銦鎵為位障層之氮化銦鎵綠光二極體，在常溫下注入週期性電流的光強度比較….……..…….47
表2-1成長薄膜時所使用的各基板材料之晶格常數與熱膨脹係數….4
表3-1在30K時，對於氮化銦鎵綠光二極體之氮化鎵位障層的不同成長溫度試片，做光激發光譜的發光能量與半高寬比較…..22

參考文獻

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指導教授

綦振瀛(Jen-Inn Chyi)

審核日期

2002-6-26

推文