博碩士論文 982212005 詳細資訊


姓名 蘇義閔(Yi-Min Su)  查詢紙本館藏   畢業系所 照明與顯示科技研究所
論文名稱 利用陽極氧化法製備奈米結構圖案化藍寶石基板之研究
(Fabrication of Nano-Patterned Sapphire Substrate Using Anodic Aluminum Oxide Technology)
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摘要(中) 本論文主要目的為利用陽極氧化法來製作奈米結構的圖案化藍寶石基板,並於該基板上磊晶成長氮化鎵發光二極體結構以提升發光二極體元件之光輸出功率。研究一開始針對陽極氧化法之條件參數做一系列的實驗以找出做為乾蝕刻遮罩的最佳條件,接著,利用此參數配合ICP乾蝕刻製作奈米結構的圖案化藍寶石基板,搭配製程的調變可製作不同深度及不同週期之奈米結構圖案化藍寶石基板,最後,成長氮化鎵發光二極體結構於傳統型藍寶石基板、微米結構圖案化藍寶石基板及本論文研究所製作之基板上,並探討其氮化鎵薄膜品質及光電特性之差異。
  由氮化鎵(102)面的半高寬量測分析及單位面積缺陷數量測結果顯示,氮化鎵薄膜成長於奈米結構圖案化藍寶石基板上,其氮化鎵薄膜品質比起成長於傳統型藍寶石基板上之X-ray(102)面的半高寬可由598 arcsec減少至328 arcsec,單位面積缺陷數亦可由8.0×108/cm2降低至2.5×108/cm2,此結果顯示利用奈米結構圖案化藍寶石基板成長氮化鎵薄膜可明顯提升其薄膜品質。
  在其光電特性分析部分,使用奈米結構圖案化藍寶石基板製作之氮化鎵發光二極體元件,在操作電流為20mA下,其光輸出功率為5.48mW,相較於微米結構圖案化藍寶石基板成長的發光二極體元件之光輸出功率4.99mW,其光輸出功率提升約10%,此結果乃歸因於光散射中心的增加;在電特性方面,使用奈米結構圖案化藍寶石基板成長之氮化鎵發光二極體元件,其在逆向電壓為-10V下之漏電流為1.12μA,相較於傳統型發光二極體元件之漏電流為6.73μA,結果顯示使用奈米結構圖案化藍寶石基板製作之氮化鎵發光二極體元件之漏電流可以明顯降低,此結果乃歸因於使用奈米結構圖案化藍寶石基板成長之氮化鎵薄膜之薄膜品質能夠明顯改善;最後探討改變奈米結構圖案化週期由10μm至6μm,其發光二極體元件在操作電流為20mA下之光輸出功率由4.56mW增加至5.16mW,其光輸出功率提升約13%,此結果乃歸因於圖案化週期愈小時,基板表面平坦面積則愈少,使得光散射中心增加。
  利用陽極氧化法製備奈米結構圖案化藍寶石基板,此方法不但具備極佳之均勻性及成本低廉之優點,同時成長氮化鎵發光二極體結構於此基板上,不僅具有較優越之薄膜品質,且其發光二極體元件之光萃取效率亦可以明顯提升,使其在光電特性部分均有更好的表現。
摘要(英) GaN-based light-emitting diodes (LEDs) structure were grown on Flower-patterned sapphire (FPSS) substrates fabricated by using Anodic Aluminum Oxide (AAO) technology. The crystalline quality of the epitaxial film could be improved by using the FPSS technique. The output power of LED grown on FPSS was 126% and 10% higher than those of LEDs grown on planar sapphire and micro-patterned sapphire substrate (MPSS) at the injection current of 20mA, respectively. The improvement of output power of LED FPSS compared with LED MPSS was attributed the enhancement of light extraction efficiency via nano-patterns that efficiently scatter the guided light to outside.
The output power of LED grown on the period of 6μm of FPSS (FPSS-P6) was 13% higher than the LED grown on the period of 10μm of FPSS at the injection current of 20mA. The improvement of output power of LED FPSS-P6 was attributed the enhancement of light extraction efficiency.
關鍵字(中) ★ 圖案化藍寶石基板 關鍵字(英) ★ Patterned Sapphire Substrate
★ PSS
論文目次 摘要 i
Abstract iii
致謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xi
第一章 導論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
第二章 實驗原理與量測系統 4
2.1 陽極氧化鋁簡介 4
2.1.1 陽極氧化鋁結構與形成 4
2.1.2 陽極氧化鋁形成機制 5
2.1.3 陽極氧化鋁形成之化學反應 6
2.2 量測系統 8
2.2.1 掃描式電子顯微鏡 8
2.2.2 原子力顯微鏡 8
2.2.3 X-ray繞射儀 9
2.2.4 光電特性量測儀 9
2.2.5 電流電壓量測系統 10
第三章 實驗製程方法與步驟 11
3.1 利用陽極氧化法製作金屬遮罩之比較分析 11
3.1.1 陽極氧化法之架構圖 11
3.1.2 陽極氧化反應之操作條件 12
3.1.3 利用不同反應時間之氧化鋁為乾蝕刻遮罩之比較分析 13
3.2 奈米結構圖案化藍寶石基板之製程 14
3.3 氮化鎵發光二極體元件之製程 18
第四章 氮化鎵薄膜成長於圖案化藍寶石基板之分析 21
4.1 氮化鎵薄膜之掃描式電子顯微鏡量測及分析 21
4.2 氮化鎵薄膜之X-ray繞射儀量測及分析 22
4.3 氮化鎵薄膜之單位面積缺陷數量測及分析 23
第五章 氮化鎵發光二極體元件之光電特性分析 24
5.1 成長於微米及奈米結構圖案化藍寶石基板的氮化鎵發光二極體之(a) (a)光電特性 24
5.2 成長於不同週期奈米結構圖案化藍寶石基板的氮化鎵發光二極體(a) (a)之光電特性 27
第六章 結論與未來展望 30
參考文獻 33
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指導教授 郭政煌(Cheng-Huang Kuo) 審核日期 2011-7-18
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