電激發光子晶體發光二極體之設計與製作

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：24

、訪客IP：18.118.226.167

姓名

紀慈禕(Tzu-yi Chi) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

電激發光子晶體發光二極體之設計與製作
(Design of Electrically Driven Photonic Crystal Light-Emitting Diodes)

相關論文

★ 磷化銦異質接面雙極性電晶體元件製作與特性分析	★ 氮化鎵藍紫光雷射二極體之製作與特性分析
★ 氮化銦鎵發光二極體之研製	★ 氮化銦鎵藍紫光發光二極體的載子傳輸行為之研究
★ 次微米磷化銦/砷化銦鎵異質接面雙極性電晶體自我對準基極平台開發	★ 以 I-Line 光學微影法製作次微米氮化鎵高電子遷移率電晶體之研究
★ 矽基氮化鎵高電子遷移率電晶體通道層與緩衝層之成長與材料特性分析	★ 磊晶成長氮化鎵高電子遷移率電晶體結構於矽基板過程晶圓翹曲之研析
★ 氮化鎵/氮化銦鎵多層量子井藍光二極體之研製及其光電特性之研究	★ 砷化銦量子點異質結構與雷射
★ 氮化鋁鎵銦藍紫光雷射二極體研製與特性分析	★ p型披覆層對量子井藍色發光二極體發光機制之影響
★ 磷化銦鎵/砷化鎵異質接面雙極性電晶體鈍化層穩定性與高頻特性之研究	★ 氮化鋁中間層對氮化鋁鎵/氮化鎵異質接面場效電晶體之影響
★ 不同濃度矽摻雜之氮化鋁銦鎵位障層對紫外光發光二極體發光機制之影響	★ 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

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

本論文成功地驗證室溫操作之電激發光子晶體結構應用於砷化銦量子點發光二極體。電激發結構應用在光子晶體微共振腔因阻值造成電流注入效益不佳以及聚積在微共振腔內部的潛熱問題，使得僅有極少數的研究成功論證。其中最具代表性的電激發技術為控制蝕刻預留腔體底部的柱子，藉此提供唯一電流路徑與改善潛熱問題。但此技術必須應用於大面積六角對稱光子晶體結構，避免腔體底部的柱子產生劇烈破壞品質因子等缺點。因此，我們的電激發結構設計引入重離子佈植法定義橫向電流流動的路徑以取代腔體底部柱子的必要性。藉此，我們所設計的電激發結構可廣泛應用於各式樣的光子晶體微共振腔，尤其是至今已證明具有高品質因子與低模態體積的Quasi-L2腔體、Point-shift腔體、以及L3腔體等。具備高Purcell因子的共振腔體是達成高效率單光子源必備的因素。本論文所設計的電激發結構可應用於高品質因子與低模態體積的共振腔體，將成為電激發光子晶體高效率單光子源的先驅。
本論文將所設計之電激發製程技術應用於Quasi-L2腔體，此 Quasi-L2腔體之品質因子可達 1600，其低模態體積可低至 0.019 um3，極有利於電激發光子晶體高效率單光子源之實現。

摘要(英)

We demonstrate an electrically driven InAs quantum dots (QDs) photonic crystal (PC) light emitting diode at room temperature. Previously, electrically driven PC optical cavities were realized by a post under the center of a PC cavity. The post provides a path for both current flow and heat dissipation. However, this type of device is only suitable for large-area and hexagonal- symmetric PC cavities because of the constraint of chemical etching process. In addition, the presence of the post degrades the field distribution and thus the quality factor of the cavity. Therefore, whisper-gallery-mode-like cavity structures become necessary. On the other hand, cavities with high quality factor, such as L3 cavities, or extremely low mode-volume, such as qL2 cavities, are excellent candidates for quantum electrodynamics physics and devices, but difficult to be processed by the same approach. In this study, the current conduction is defined by ion-implantation on a qL2 cavity. Quality factors as high as 1600 are achieved. The mode-volume of the qL2 cavity is calculated to be 0.019 um3. The Purcell factor is estimated to be approximately 400. This is a major step toward high-efficiency electrically driven single photon sources.

關鍵字(中)

★ 光子晶體
★ 離子佈植
★ 品質因子
★ 模態體積
★ 單光子源

關鍵字(英)

★ mode-volume
★ quality factors
★ single photon sources
★ ion-implantation
★ photonic crystal

論文目次

中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章導論 1
1-1 光子晶體發展史與簡介 1
1-2 研究背景與動機 6
第二章理論基礎與簡介 10
2-1 模擬方法與理論 10
2-2 實驗方法與理論 11
2-2.1 離子佈植 11
2-2.2 離子佈植模擬 12
2-2.3 離子佈植電性分析 15
2-3 結論 16
第三章電激發光子晶體元件設計 17
3-1 前言 17
3-2 電激發光子晶體結構設計 19
3-2.1 量子點磊晶結構 19
3-2.2 電激發光子晶體結構 21
3-3 電激發光子晶體元件分析 24
3-3.1 氧離子佈植電性分析 24
3-3.2 光子晶體元件電性分析 25
3-3.3 離子佈植對於光子晶體光性分析 27
3-4 結論 30
第四章電激發光子晶體元件製作 31
4-1 前言 31
4-2 元件製作流程 32
第五章電激發光子晶體量測結果與討論 42
5-1 前言 42
5-2 元件特性分析與討論 43
5-2.1 量測系統簡介 43
5-2.2 元件光性分析與討論 45
5-3 結論與未來展望 49
參考文獻 51
圖目錄
圖1-1. 一維、二維、三維光子晶體結構示意圖 2
圖1-2. 西元1999年O. Painter提出的光子晶體薄板結構圖 3
圖1-3. 不同腔體型式的光子晶體共振腔 4
圖1-4. P. Bhattacharya與Y. H. Lee 團隊個別提出的電激發結構 6
圖1-5. Y. H. Lee 團隊提出電激發結構中光子晶體腔體具備之特性 8
圖2-1. 離子佈植機結構示意圖 12
圖2-2. 氧離子佈植砷化鎵材料中能量與佈植深度的關係 14
圖2-3. 氧離子能量30KeV佈植砷化鎵材料的投影射程分佈 14
圖2-4. 氧離子能量30KeV佈植Si3N4/GaAs的投影射程分佈 15
圖2-5. 傳輸線模型示意圖 16
圖3-1. 電激發光子晶體元件示意圖 18
圖3-2. 電激發元件量子點磊晶結構與光激發光譜量測 20
圖3-3. 光子晶體於縱向導通結構的電流示意圖 21
圖3-4. 電激發元件絕緣區域與電流流向剖面示意圖 23
圖3-5. 離子佈植元件白光成像圖與 IR camera 收光圖 25
圖3-6. 光子晶體週期數對元件電阻值與腔體品質因子的關係 26
圖3-7. 光子晶體週期數為12層時元件電壓電流特性 27
圖3-8. 不同氧離子佈植區域折射指數對於qL2腔體共振能量的變化 29
圖3-9. 不同氧離子佈植區域對於qL2腔體共振波長的變化 30
圖4-1. 電激發元件平台與光子晶體空氣柱蝕刻示意圖 31
圖4-2. 電激發光子晶體元件製作流程 33
圖4-3. 電激發元件Mesa的OM圖 35
圖4-4. Si3N4離子佈植遮擋層的OM圖 36
圖4-5. 砷化鎵歐姆接觸電極的OM圖 37
圖4-6. 光子晶體元件與電激發元件對準圖 38
圖4-7. 光子晶體空氣柱蝕刻側壁SEM圖 39
圖4-8. 氫氟酸濕式蝕刻後光子晶體薄板的SEM圖 40
圖4-9. 電激發光子晶體元件與qL2腔體SEM圖 41
圖5-1. 電激發光子晶體元件示意圖 42
圖5-2. micro-EL量測系統圖 44
圖5-3. qL2腔體光激發螢光光譜與電激發螢光光譜比較圖 47
圖5-4. 電激發光子晶體元件電流分佈圖 47
圖5-5. qL2腔體電激發螢光光譜比較圖 48
圖5-6. 利用氧離子佈植抑制元件外圍量子點訊號示意圖 50
表目錄
表1-1. 電激發光子晶體元件特性比較 9
表2-1. 離子佈植前後材料片電阻差異 16
表4-1. 製程機台型號表 32

參考文獻

[1] E. Yablonovitch, “Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics”, Phy. Rev. Lett., 58, 2059(1987)
[2] S.John, “Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices”, Phy. Rev. Lett., 58, 2486(1987)
[3] E. Yablonovitch, “Photonic crystals: semiconductor of light”, Scientific American
December,47(2001)
[4] E. Yablonovitch, et al. “Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms”, Phys. Rev. Lett., 67, 2295(1991)
[5] Masayuki, et al. “Simultaneous Inhibition and Redistribution of Spontaneous Light Emission in Photonic Crystal”, Science, 308, 1296 (2005)
[6] S. Laurent, et al. “Indistinguishable single photons from a single-quantum dot in a two-dimensional photonic crystal cavity”, Appl. Phys. Letters, 87, 163107 (2001)
[7] O. Painter, et al. “Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser”, Science,
284, 1819(1999)
[8] Susumu Noda, et al. “Trapping and emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure”, Nature, 407, 608(2003)
[9] Hong-Gyu Park, et al. “Nondegenerate monopole-mode two-dimensional photonic band
gap laser”, Appl. Phys. Letters, 79, 3032 (2001)
[10] Yoshihiro Akahane, et al. “High-Q photonic nanocavity in a two dimensional photonic crystal”, Nature, 425, 944(2003)
[11] K. Noazki, et al. “Laser characteristics with ultimate-small modal volume in photonic crystal salb point-shift nanolasers”, Appl. Phys. Letters, 88, 211101 (2006)
[12] Y. C. Tseng, et al. “Quasi-H1 Photonic Crystal Micro-cavities with an Extremely Low
Mode-volume for 1.3 ?m InAs QD Single Photon Sources”, The 5th International conference on semiconductor Quantum Dots, (2008).
[13] E. M. Purcell, “Spontaneous Emission Probabilities at Ratio Frequency”, Phys. Rev., 69,
681 (1946)
[14] W. Y. Chen, et al. “Enhanced light emission from InAs quantum dots in single-defect photonic crystal microcavities at room temperature”, Appl. Phys. Letters, 87, 071111 (2005)
[15] L. Balet, et al. “ Enhanced spontaneous emission rate from single InAs quantum dots in a photonic crystal nanocavity at telecom wavelengths”, Appl. Phys. Letters, 91,123115 (2007)
[16] Y. H. Lee, et al. “Electrically Driven Single-Cell Photonic Crystal Laser”, Science, 305, 1444 (2004)
[17] P. Bhattacharya, et al. “Characteristics of a Photonic Bandgap Single Defect Micro cavity Electroluminescent Device”, IEEE., 2, 25 (2001)
[18] J. M. Dallesasse, et al. “Hydrolyzation oxidation of AlxGa1-xAs-AlAs-GaAs quantum well heterostructures and superlattices”, Appl. Phys. Letters, 57, 2844–2846 (1990)
[19] A.N.M Masum Choudhury, et al. “ Formation of p-type GaAs layers using Mg+ implantation and capless rapid thermal annealing”, Appl. Phys. Letters, 49, 26 (1986)
[20] Hajime Yamazaki, et al. “ Electrical and optical properties of oxygen-ion hot-implanted GaAs layers”, Appl. Phys. Letters, 64, 19 (1994)
[21] J. F. Ziegler, SRIM2003.17. http://www.srim.org/, (2003)
[22] Ralph Williams, et al. “ Modern GaAs Processing Methods, Artech House”, Boston London, pp.235 (1990)
[23] Y. Arakawa, et al. “ Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current”, Appl. Phys. Letters, 40, 939(1982)
[24] Gyoungwon Park, et al. “Room-temperature continuous-wave operation of a single layered 1.3 mm quantum dot laser”, Appl. Phys. Letters, 75, 21(1982)
[25] P. Gallo, et al. “Integration of site-controlled pyramidal quantum dots and photonic crystal membrane cavities”, Appl. Phys. Letters, 92, 263101(1982)

指導教授

綦振瀛(Jen-inn Chyi)

審核日期

2008-10-24

推文