不同電極圖型之覆晶型發(fā)光二極體特性研究

1、不同電極圖型之履晶型發(fā)光二極體特性研究洪瑞華二林信全1武東星21國(guó)立中典大學(xué)精密工程研究所2國(guó)立中興大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系本論文主要是藉由設(shè)計(jì)不同電極圖型之覆晶型氮化錄發(fā)光二極體，來(lái)解決發(fā)光二極體元件電流擴(kuò)散不佳的問(wèn)題。一開(kāi)始先利用specled模擬軟體對(duì)我 們所設(shè)計(jì)之電極圖型進(jìn)行模擬，比較各種電極圖型的電流擴(kuò)散情形，再搭配反 射率高達(dá)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(fā)光 二極體最後在將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)量測(cè)特性做比較與討論。關(guān)鍵字：覆晶型發(fā)光二極體、電流擴(kuò)散模擬(specled)1.前言發(fā)光

2、二極體(leds)欲取代傳統(tǒng)光源首要解決的是提升務(wù)光效率 > 壽命 ' 穩(wěn)定性與降低成 本，由於要達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率之leds，其外部量子效率(eqe)主要受到內(nèi)部量子效率(iqe)與光 萃取效率影響。高品質(zhì)量子井之藍(lán)光leds其內(nèi)部量子效率可以高達(dá)60-70%，但受限於元件 之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磊晶基板特性或外在封裝條件影響，導(dǎo)致外部量子效率一直受限無(wú)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(dǎo)致，另一方面光由高折射 率(refractive index; n)的半導(dǎo)體材料傳至低折射率之空氣(n=l)實(shí)為不易，故如何將光自leds 內(nèi)部取出是一個(gè)重要的議

3、題。傳統(tǒng)的leds必須在發(fā)光區(qū)上鍍上圖案化電極以及封裝製程的打媒(wire bond)，用以均勻 電流的擴(kuò)散及便於連接外部電源*使得發(fā)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(shù)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(lán)寶石基板折射係數(shù)大 於空氣，故可增加光取出。此外，傳統(tǒng)leds所產(chǎn)生的熱只能藉由背面藍(lán)寶石基板傳遞至外界 > 見(jiàn)表一 > 藍(lán)寶石基 板導(dǎo)熱能力相當(dāng)不佳；覆晶型leds所產(chǎn)生的熱能透過(guò)接合凸塊(bump)傳導(dǎo)至高導(dǎo)熱特性的 覆晶子基板。且gan為主的l

4、eds元件結(jié)構(gòu)大多成長(zhǎng)於藍(lán)寶石基板，由於藍(lán)寶石基板熱傳導(dǎo) 率為35 w/m-k >相較於gan (130 w/m-k)與si (150 w/m-k) »藍(lán)寶石基板熱傳導(dǎo)能力較不 佳，因而形成元件散熱的障礙。見(jiàn)圖一所示採(cǎi)用覆晶的製作方式能幫助散熱，直接從元件中 最易產(chǎn)生熱的電極部分藉由覆晶子基板傳導(dǎo)至最外層的金屬散熱片，減少熱堆積而造成發(fā)光 效率的下降。同時(shí)藉由藍(lán)寶石基板將光散射出去，因基板為透明基板故可減少因?yàn)榇蚓€電極 本身之吸收所造成的光損失。materialthermal conductivity w/(m x k)ag407cu401au319al237ni59si168

5、gaas47sic490sapphire35表一常見(jiàn)金屬之熱導(dǎo)係數(shù)比較表mirrorsolder圖一採(cǎi)用覆晶製作方式的氮化錄藍(lán)光led示意圖但一般情況，製作覆晶型發(fā)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(shí)需要再確認(rèn)pn型電極的對(duì)位。本研究主要是藉由設(shè)計(jì)不同電極圖型之覆晶型氮化錄發(fā)光二極體1-3，來(lái)解決登光二極 體元件電流擴(kuò)散不佳的問(wèn)題4,5。一閒始先利用specled模擬軟體對(duì)我們所設(shè)計(jì)之電極圖型 進(jìn)行模擬，比較各種電極圖型的電流擴(kuò)散情形，再搭配反射率高達(dá)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

6、有高反射鏡面且電流分 佈均勻性較佳的覆晶型發(fā)光二極體，最後在將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)量測(cè)特性做比較與探討。2.實(shí)驗(yàn)方法利用specled模擬軟體初步模擬兩種電極圖型，來(lái)探討較佳之電極圖型，再藉由模擬之 電流密度均勻性對(duì)電極圖型做修改。最後總共設(shè)計(jì)出六種不同電極圖型，如圖二所示。明科技與營(yíng)第圖二各種電極圖型之結(jié)構(gòu)示意圖本研究之氮化錄磊晶片是利用有機(jī)金屬氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, mocvd)成長(zhǎng)於(0001)m寶石基板上，磊晶層之結(jié)構(gòu)包括一層厚度50 nm低溫成長(zhǎng)的氮化錄 緩衝層，厚度2 gm無(wú)摻雜之氮化錄(ugan)，厚度3 pm離摻雜之

7、n型氮化錄(ngan)，氮化 錮鎳/氮化錄(ingan/gan)多重量子井活性層，及厚度0.5 pm之p型氮化錄(pgan)披覆層。利用黃光微影技術(shù)在具有透明導(dǎo)電層的氮化錄磊晶膜上，定義出平臺(tái)的形貌，並以烤箱 在130 °c下烘烤1小時(shí)，用以強(qiáng)化光阻形成蝕刻阻撐層。接箸將試片放入純鹽酸中3分鐘， 以蝕刻裸專在平臺(tái)外未被光阻保護(hù)的ito露出p型匕錄，藉此定義出透明導(dǎo)電層的圖案 此圖案類似於平臺(tái)的形狀，但略微往內(nèi)縮小約5屮n左右。經(jīng)過(guò)濕儺刻定我出透明導(dǎo)電層區(qū)域 後，再利用感應(yīng)式耦合電漿蝕刻機(jī)蝕刻氮化錄磊晶結(jié)構(gòu)層以建立平臺(tái)，蝕刻條件為：氯氣流 量27 seem 氫氣流量3 seem，腔體壓

8、力為8 mtorr，icp功率為700 w rie功率為100w，蝕刻發(fā)光二極體之平臺(tái)範(fàn)圍以外的結(jié)構(gòu)至n型氮化録磊晶朕。最後再以丙酮將表面光阻去 除，並將試片進(jìn)行350 °c熱退火處理5分鐘，使ito與p型氮化錄磊晶層達(dá)到歐姆接觸的效 果即完成平臺(tái)定義。將完成平臺(tái)步驟之磊晶片，由黃光微影在磊晶膜上定義出反射鏡面之區(qū)域 > 利用氧電漿 清洗機(jī)將顯影完之區(qū)域再次清漂，確保無(wú)光阻殘留，避免反射鏡面之附著性降低。再以電子 槍蒸鍍系統(tǒng)蒸鍍ni/ag/ni/pt作為反射鏡面層其厚度分別為5nm/2500nm/5nm/1000nm，完 成蒸鍍後的試片將置入裝有丙酮的溶液中因丙酮會(huì)將光阻溶解而

9、達(dá)到掀離的效果»藉此效 應(yīng)將微影製程所定義外的金屬區(qū)域加以去除，僅留下所需的反射鏡面圖案。將完成反射鏡面之磊晶片清洗乾淨(jìng)後，先於試月上塗佈一層高分子材料以轉(zhuǎn)速2000rpm，時(shí)間40秒的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)»所得的厚度大約2屮n左右，最後放入烤箱烘烤參數(shù)為 135 °c/2 hrs »藉由加熱強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)，達(dá)到保護(hù)的效果。在此步驟中，絕緣層的厚度必須控制 在2屮“，主要是因?yàn)?，絕緣層的主要功能必須要能完全覆蓋pn接面，使後績(jī)蒸鍍n型串聯(lián) 電極時(shí)能完全隔絕金屬成分與pn接面的可能性。一般而言平臺(tái)的深度大約定義在1.517 gm 左右，所以絕緣層厚度必須要高於平臺(tái)的高

10、度，才能夠完全保護(hù)。製作完電極保護(hù)層後，將 試片以一般清洗流程清洗，確保無(wú)高分子材料殘留後，接箸透過(guò)黃光微影製程，定義出欲蒸 鍍金屬電極的區(qū)域，並利用電子束蒸鍍系統(tǒng)和熱阻式蒸鍍系統(tǒng)分別蒸鍍ti/al/ti和cr/au，其 厚度分別為20 nm/2 um/ 20 nm和5 nm/100 nm »完成蒸鍍金屬後的試片*將置入裝有丙酮的 溶液中，將光阻溶解而達(dá)到掀離的效果，將微影製程所定義外的金屬區(qū)域加以去除，僅留下所需的電極製作完電極後，將試片以一般清洗流程清洗後，先於試片表面塗佈一層高分子材料，以轉(zhuǎn)速2000 rpm，時(shí)間40秒的參數(shù)進(jìn)行製作，所得的高分子材料厚度大約2 um左右，最後

11、製 作完成後放入烤箱烘烤，參數(shù)為135°c/2hrs，藉由加熱強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)，達(dá)到保護(hù)的效果。主要 是因?yàn)椋^緣層的功能必須要完全能覆蓋晶粒中間區(qū)域，使後績(jī)蒸鍍共晶材料只需蒸鍍?cè)诰?粒的上下兩側(cè)»覆晶製程即可對(duì)準(zhǔn)上下兩側(cè)共晶區(qū)域不必?fù)?dān)心中間區(qū)域會(huì)導(dǎo)通之因素。製 作完覆晶保護(hù)層後將試月以一般清洗流程清洗，確保無(wú)離分子材料殘留，接著透過(guò)黃光微影製程定義出欲蒸鍍覆晶金屬的區(qū)域並利用電子束蒸鍍系統(tǒng)分別蒸鍍cr/au/sn 其厚度 分別為5nm/100nm/2um，完成蒸鍍覆晶金屬後的試片，將置入裝有丙酮的溶液中，將光阻把 微影製程所定義外的金屬區(qū)域加以去除*僅留下所需的覆晶金屈圖案。完

12、成上述製程後，即利用雷射切割機(jī)將試片切割成單顆晶粒元件，接著使用擴(kuò)張機(jī)的機(jī)械膨脹力量擴(kuò)張，即完成單一元件的分離。將切割完成的晶粒，對(duì)準(zhǔn)並放置於矽基板電路上， 接下來(lái)進(jìn)行回焊*將矽基板與晶粒加熱至焊料共溶點(diǎn)，使之形成合金*藉由焊料將矽基板與 晶粒黏箸。如圖三所示為完成之元件結(jié)構(gòu)示意圖。sapphire« d 1 cinsulatormirrorwire bondn-gansolder更高*相對(duì)的整體的光輸出功率也跟著提升。最後在4x4型直徑尺寸分為兩種，其中s-r的型直徑(35 um)比br(50 um)型直徑來(lái)的小，導(dǎo)致有些電流尚未傳遞至8型與型中間的區(qū)域，所以之後考慮將型直徑加大&

13、#187;型與型之間的電流密度相較於圖三覆晶型發(fā)光二極體元件完成之結(jié)構(gòu)圖3.結(jié)果與討論specled模擬軟體模擬六種不同電極圖型的結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果如圖四所示，雖然指叉狀 電極b-s4 b-s5在電流分佈的部分，有些許電流集中在邊緣區(qū)域，加上製作平臺(tái)時(shí)減少許多 發(fā)光區(qū)域，導(dǎo)致整體光綸出功率表現(xiàn)較其他四個(gè)電極圖型差。b-d4、b-d5的部分電流分佈電流密度強(qiáng)度比b-s4 b-s5更均勻些，周圍邊緣的電流集中變少，在晶粒中間的電極周sr均勻許多，且製作平臺(tái)時(shí)犧牲較少的發(fā)光區(qū)域，所以不僅電流擴(kuò)散佳且光翰出功率也較 高。圖五為覆晶型發(fā)光二極體之各種電極圖型的順向偏壓對(duì)電流特性圖。結(jié)果顯示各種不同型之發(fā)光二

14、極體元件在20 ma操作電流下，正向電壓值約為2.8 v左右；在操作電流為350 ma注入下，正向電壓值大約為3.73.8 v，結(jié)果顯示無(wú)論在低電流或高電流注入下， 各種電極圖型結(jié)構(gòu)皆表現(xiàn)應(yīng)相近的電特性 > 並沒(méi)有因?yàn)閚型電極串聯(lián)或加入高分子材料，導(dǎo) 致n型電極接觸面積變少，使最後元件電特性受到影繆。因此量測(cè)結(jié)果也證明在各種不同電型之漏電極圖型結(jié)構(gòu)下，電特性皆可以維持一定水準(zhǔn)。且當(dāng)操作電壓為5 v時(shí)，各種電極 流分別為ipa集中再邊緣區(qū)域，使光輸出功率與光電轉(zhuǎn)換效率下降。spccled棋做元件之好光徑度分佈bs42d存光強(qiáng)度分臨圈mspccled棋按尢件之精光菠度分佈bs52d令光強(qiáng)度分

15、體圖2d存先建度分俺圈2d轉(zhuǎn)光淫度分佈sb2d轉(zhuǎn)尢後度分佈圖分佈圖2d伶光事度分佈圖2d令光強(qiáng)度 分佈圖spcc led棋戦元伴 之令光建度分佈spccled棋扭元件 z好光建度分佈bd42d令尢後度分佈圖bd52d訐光後度分佈圈spccled根槪元件 z令光礒度分佈b-r2d好光強(qiáng)曳2d特先険度分飾3hspccled祺投元件 z轉(zhuǎn)光強(qiáng)度分佈2d什光建度 分體圖四 元件之模擬發(fā)光強(qiáng)度分佈圖與量測(cè)發(fā)光強(qiáng)度2d '3d分佈藉由公式計(jì)算6，得到輪入電流與外部量子效率之關(guān)係如圖七 所示，為了明顯看出下 降的比率，我們將元件驅(qū)動(dòng)在高電流700 ma下比較，b-s4、b-s5、bd4、b-d5s-

16、r與b-r 各種電極圖型的外部董子效率分別為15.96% ' 15.49%、16.23% ' 16.7%、17.44% *°0100200300400500600700current (ma)() aoue-oe山 bn_d -i504030201035030025020015010050 me)amod andino圖六電流光輸出功率與光電轉(zhuǎn)換效率特性18.09 % 如單純探討注入電子數(shù)與光子數(shù)的比較關(guān)係，整體而言，br的外部量子效率最好 最差的是b-s5?；旧蠒?huì)造成這樣的差異，主要還是因?yàn)樵陔姌O圖型設(shè)計(jì)所造成正因br 的電流分佈比b-s5還均勻，幫助br的光取出

17、變高，也進(jìn)而提升外部量子效率。圖七電流外部量子效率特性圖為了解決覆晶型發(fā)光二極體的電流分佈不均情形，利用specled模擬軟體，針對(duì)我們所設(shè)計(jì)的六種電極型模擬，分析各種電極圖型的電流分佈情形：再與實(shí)驗(yàn)量測(cè)結(jié)果相互對(duì)照與討論。由光場(chǎng)量測(cè)儀，可以分析整體元件發(fā)光強(qiáng)度，其中以sr與br的發(fā)光強(qiáng)度比較均勻， 與模擬之結(jié)果對(duì)照是吻巻的。電特性方面，六種電極圖型注入350 ma下，其操作電壓大約 在3.73.8 v，偏壓5 v的情形下，漏電流皆小於lua，符合標(biāo)準(zhǔn)值並沒(méi)有因?yàn)檠u程過(guò)成' 高分子材料或n型串聯(lián)電極等等因素而對(duì)電性造成彫繆，也證明製程的穩(wěn)定性。此外，光輸 出功率方面，br與b-s5電極

18、圖型相較之下，在700 ma時(shí)可提升16.55 %，再光電轉(zhuǎn)換效 率與外部量子效率的部分，其中br電極圖型的光電轉(zhuǎn)換效率皆比其他電極圖型還要高，且 外部量子效率在br和b-s5相較之下由15.49 %提升至18.09 %。這些結(jié)果顯示，覆晶型發(fā) 光二極體的電極圖型設(shè)計(jì)可以改善整體元件的電流分佈，如電流分佈較均勻，不僅元件特性 可以獲得改善與提升，也可以減少因電流集中引起熱堆積在局部區(qū)域。參考文獻(xiàn)1 s. hwang and, j. shim, "a method for current spreading analysis andelectrode pattern design in

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