不同電極圖型之覆晶型發光二極體特性研究

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1、不同電極圖型之履晶型發光二極體特性研究洪瑞華二林信全1武東星21國立中典大學精密工程研究所2國立中興大學材料科學與工程學系本論文主要是藉由設計不同電極圖型之覆晶型氮化錄發光二極體，來解決發光二極體元件電流擴散不佳的問題。一開始先利用SpeCLED模擬軟體對我們所設計之電極圖型進行模擬，比較各種電極圖型的電流擴散情形，再搭配反射率高達97%之鎳/銀(Ni/Ag)鏡面，製作於p型電極，將光藉由反射鏡面反射回正面。此目的為製作一具有高反射鏡面且電流分佈均勻性較佳的覆晶型發光二極體•最後在將模擬結果與實驗量測特性做比較與討論。關键字：覆晶型發光二極體、電流擴散・模擬(Spe

2、CLED)1.前言發光二極體(LEDs)欲取代傳統光源首要解決的是提升務光效率>壽命'穩定性與降低成本，由於要達到高轉換效率之LEDs，其外部量子效率(EQE)主要受到內部量子效率(IQE)與光萃取效率影響。高品質量子井之藍光LEDs其內部量子效率可以高達60-70%，但受限於元件之結構設計、磊晶基板特性或外在封裝條件影響，導致外部量子效率一直受限無法有效提升。主要原因是光被本身材料所吸收'出光面遮光或電流分佈不均所導致，另一方面光由高折射率(refractiveindex;n)的半導體材料傳至低折射率之空氣(n=l)實為不易，故如何將光自LEDs內部取出是一個重要

3、的議題。傳統的LEDs必須在發光區上鍍上圖案化電極以及封裝製程的打媒(wirebond)，用以均勻電流的擴散及便於連接外部電源*使得發光面積減少許多，因而使外部量子效率大大下降。覆晶型LEDs技術以n型氮化錄朝上的方式將磊晶旗與基板接合(sub-mount)，並以高反射率金屬電極取代原本之透明電極，使光自背面的董寶石基板射出，又因藍寶石基板折射係數大於空氣，故可增加光取出。此外，傳統LEDs所產生的熱只能藉由背面藍寶石基板傳遞至外界>見表一>藍寶石基板導熱能力相當不佳；覆晶型LEDs所產生的熱能透過接合凸塊(bump)傳導至高導熱特性的覆晶子基板。且GaN為主的LE

4、Ds元件結構大多成長於藍寶石基板，由於藍寶石基板熱傳導率為35W/m-K>相較於GaN(130W/m-K)與Si(150W/m-K)»藍寶石基板熱傳導能力較不佳，因而形成元件散熱的障礙。見圖一所示採用覆晶的製作方式能幫助散熱，直接從元件中最易產生熱的電極部分藉由覆晶子基板傳導至最外層的金屬散熱片，減少熱堆積而造成發光效率的下降。同時藉由藍寶石基板將光散射出去，因基板為透明基板故可減少因為打線電極本身之吸收所造成的光損失。MaterialThermalConductivityW/(mxK)Ag407Cu401Au319Al237Ni59Si168GaAs47SiC49

5、0Sapphire35表一常見金屬之熱導係數比較表mirrorSolder圖一採用覆晶製作方式的氮化錄藍光LED示意圖但一般情況，製作覆晶型發光二極體需先在矽基板上製作外接電路，且將我光二極體的覆晶電極接合至子基板上電路時•需要再確認p・n型電極的對位。本研究主要是藉由設計不同電極圖型之覆晶型氮化錄發光二極體［1-3］，來解決登光二極體元件電流擴散不佳的問題［4,5］。一閒始先利用SpeCLED模擬軟體對我們所設計之電極圖型進行模擬，比較各種電極圖型的電流擴散情形，再搭配反射率高達97%之鎳/銀(Ni/Ag)鏡面，製作於p型電極，將光藉由反射鏡面反射回正面。此目的為

6、製作一具有高反射鏡面且電流分佈均勻性較佳的覆晶型發光二極體，最後在將模擬結果與實驗量測特性做比較與探討。2.實驗方法利用SpeCLED模擬軟體初步模擬兩種電極圖型，來探討較佳之電極圖型，再藉由模擬之電流密度均勻性對電極圖型做修改。最後總共設計出六種不同電極圖型，如圖二所示。明科技與營第圖二各種電極圖型之結構示意圖本研究之氮化錄磊晶片是利用有機金屬氣相沉積(Metalorganicchemicalvapordeposition,MOCVD)成長於(0001)M寶石基板上，磊晶層之結構包括一層厚度50nm低溫成長的氮化錄緩衝層，厚度2gm無摻雜之氮化錄(u・GaN)，厚

7、度3pm离摻雜之n型氮化錄(n・GaN)，氮化錮鎳/氮化錄(InGaN/GaN)多重量子井活性層，及厚度0.5pm之p型氮化錄(p・GaN)披覆層。利用黃光微影技術在具有透明導電層的氮化錄磊晶膜上，定義出平台的形貌，並以烤箱在130°C下烘烤1小時，用以強化光阻形成蝕刻阻撐層。接箸將試片放入純鹽酸中3分鐘，以蝕刻裸專在平台外未被光阻保護的ITO露出p型匕錄，藉此定義出透明導電層的圖案•此圖案類似於平台的形狀，但略微往內缩小约5屮n左右。經過濕傩刻定我出透明導電層區域後，再利用感應式耦合電漿蝕刻機蝕刻氮化錄磊晶结構層以建立平台，蝕刻條件為：氯氣流量27seem•氢