第二十七卷 第三期 - 2014年八月十五日 PDF
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製作於電化學蝕刻n¯-氮化鎵模板上之氮化鎵發光二極體
賴韋志1, 顏政雄1, 李臻淄1, 楊亞諭1, 陳錫恩1, 張守進2,* , 李書光3
1 台灣國立成功大學光電系
2 台灣國立成功大學電機工程學系與微電子工程研究所, 尖端光電中心, 研究總中心, 能學與科技策略研究中心
3 中國石油大學理學院
 
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使用三族氮化物材料製作發光二極體(LED)、雷射二極體與高效能電子元件已成為現今的焦點。因為在藍光、綠光及紫外線除具有高度商業實用性,氮化鎵(GaN)發光二極體在節能潛力大幅超越了白炙燈泡和螢光燈[1]-[4]。提升GaN LED的輸出效率的主要方法即為內部量子效能(internal quantum efficiency, IQE)和光提取效能(light extraction efficiency, LEE)。為了改善IQE和LEE,各種研究發法被提出,例如抑制在氮化銦鎵(InGaN)的量子井活化區抑制電荷分離[5]-[7]、表面粗糙化和藍寶石基板圖案化、以及奈米圖案化藍寶石基板,減少藍寶石基板上生長GaN層的錯位密度。在這篇研究裡,我們研究出各種陽極氧化電壓和這些多孔n-型GaN基板於GaN LED裡製造多孔n-型GaN模板的形成。我們也將討論在GaN LED的電學和光學性能在多孔nGaN基板上製作的效果。

圖 1圖1(a)、1(b)、1(c)、和1(d)顯示SEM下LED的 n--GaN基板施加(a) 20、(b) 30、(c) 40、和 (d) 60 V之截面圖。


圖1(a)、1(b)、1(c)、和1(d)顯示SEM下LED的 n¯-GaN基板,分別施加(a) 20、(b) 30、(c) 40、和(d) 60 V之截面圖。當磊晶n+-GaN層因為通入NH3及H2,長晶時的高溫將使得在n--GaN層裡的孔洞會重新塑形。而這些橢圓或小切面的孔洞源於a)當製程升溫時造成孔洞蝕刻現象,b) GaN的解離造成孔洞,c)孔洞和孔洞的結合。因此原本的水平/樹狀分布的孔洞被劃分成橢圓或小切面的空隙,如圖1(a)-1(d)所示。在成長範圍相對15-150 nm,30-180 nm,35-330 nm,與 45-520 nm 的完整LED結構後,ECE n--GaN將被施加20 V,30 V,40 V,60 V以重塑橢圓的孔洞。

發光二極體成長在ECE 奈米多孔nGaN基板上施加20、30、40、和60 V的電壓,並分別被命名為LED II、III、VI及 V。為了做出客觀地研究比較,無奈米多孔n--GaN 基板的傳統LED(例如 LED I)也將被拿來探討比較。光輸出功率以及外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)是和輸入電流呈現一函數關係,如圖二所示。全部的ECE 奈米多孔n--GaN 模板LED(LED II 至 V)之電流則都高於傳統的LED I。20 mA之輸出功率從LED I的8.7 mW增加至LED II的12.15 mW、增加至LED III的12.34 mW和增加至LED IV的12.97 mW,而增加至LED V的輸出功率則落在9.92 mW。而各LED相對應知EQE則分別是15.3%、21.6%、22.1%、23.4%與17.9%。圖三顯示LED I至V的遠場光譜圖,可以明顯地看出在接近垂直的方向(-30° ≤ θ ≤ 30°)LED II至IV達到更高的光發射密度。

圖 3圖三顯示第一型至第五型的遠場光普圖
圖 2對所有LED樣本量測的光輸出功率及外部量子效率(external quantum efficiency (EQE))


總結我們展示出用電化學的方式蝕刻n--GaN基板形成嵌入式重塑橢圓孔洞的GaN LED。光輸出功率在n--GaN基板上以40 V之電化學蝕刻後在20mA下,輸出功率能高於傳統LED 50%。

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