高亮度氮化鎵系列發光二極體元件設計與P型氮化鎵金屬電極熱穩定性之研究

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研究生：	周以倫 Chou, Yi-Lun
論文名稱：	高亮度氮化鎵系列發光二極體元件設計與P型氮化鎵金屬電極熱穩定性之研究 Design of high brightness GaN-based LEDs and investigation of thermal stability for the metal contacts on the p-type GaN
指導教授：	吳孟奇 Wu, Meng-Chyi
口試委員:	鄭克勇謝光前許渭州劉文超張連璧羅文雄林瑞明吳孟奇
學位類別：	博士 Doctor
系所名稱：	電機資訊學院 - 電子工程研究所 Institute of Electronics Engineering
論文出版年：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	英文
論文頁數：	121
中文關鍵詞：	氮化鎵、高亮度發光二極體
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我們設計了在基板背面具有孔洞的圖案化藍寶石基板，並且同時製作了反射層在背面的圖案化基板上。具有梯形形狀的背面反射層可以有效地反射來自氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井往發光二極體基板底部發出的光，以增加發光二極體表面的發光強度。我們使用高溫的混合酸溶液，來蝕刻元件正下方與切割道區域的藍寶石基板來形成類似梯形的圖案，在經過氮化鎵發光二極標準製程後，再將已經圖案化的藍寶石基板底部蒸鍍上具有鋁的多層型反射金屬，以增加往背面光線之反射效率。本研究中共有一般形式、具有鋁的多層型反射金屬、在元件正下方具梯形形狀的背面反射層，與在切割道位置具梯形形狀的背面反射層共四種氮化鎵發系列光二極體。與一般形式的氮化鎵發光二極體相比較，在操作電流為20 mA的條件下，具有鋁的多層型反射金屬、在元件正下方具梯形形狀的背面反射層，與在切割道位置具梯形形狀的背面反射層這三種氮化鎵發光二極體，表面發光功率分別提升了9.25%, 46.29%, 與48.76%。
我們也提出了具有背面金屬孔洞與反射層之氮化鎵系列發光二極體。同樣地，具有蝕刻深度非常深的梯形形狀背面反射層可以有效地反射來自氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井往發光二極體基板底部發出的光，藉以增加發光二極體表面的發光強度。我們使用了硫酸和磷酸混和的高溫濕蝕刻溶液在藍寶石基板底部蝕刻出深度非常深的孔洞，並在完成氮化鎵發光二極標準製程後，再將藍寶石基板底部蒸鍍上具有鋁的多層型反射金屬，並且使用電鍍銅的製程方法將經由高溫濕蝕刻產生的梯形孔洞填滿，以增強具有梯形孔洞發光二極體的結構強度，並且增加了發光二極體元件的散熱路徑。此外，在使用電鍍銅製程同時，使用了厚膜型光阻來覆蓋梯形孔洞以外的區域，以防止孔洞以外的區域電鍍上銅並且可以同時防止與隔離電鍍銅的橫向擴散。與一般形式氮化鎵發光二極體相比較，在操作電流為20 mA的條件下，具有鋁的多層型反射金屬、在元件正下方具深入型梯形形狀的背面反射層，與具有背面金屬孔洞與反射層這三種氮化鎵發光二極體，表面發光強度分別提升了37%, 178%, 與226%。此外，具有散熱效果的背面金屬孔洞與反射層的氮化鎵發光二極體，在較高電流注入的情況下因為有較佳的散熱效果，因此有較穩定的波長表現。
此外，在研究中我們探討了鎳/銀系列金屬電極在p型氮化鎵上的熱穩定性。我們觀察到銀金屬在攝氏500度的氧氣環境下經過高溫處理後，鎳/銀金屬電極會有銀的聚集現象發生；為了減少這樣的情況發生，我們使用了鎳/銀/金金屬電極並將電極蒸鍍在p型氮化鎵上。在這樣的電極設計中，因為金的覆蓋使得電極在高溫處理之後減少了銀的聚集現象，因此在特徵接觸電阻特性有較穩定的變化。然而，因為銀與金兩種金屬在高溫處理時會產生互相擴散現象，因此鎳/銀/金金屬電極的反射率在高溫處理下會有明顯的下降。因此，我們在鎳/銀/金金屬電極中以鈦金屬當作擴散阻障層，並且蒸鍍了鎳/銀/鈦/金的金屬電極在p型氮化鎵上；我們觀察到鎳/銀/鈦/金金屬電極可以有效地減少在高溫處理後銀的聚集與金、銀兩種金屬互相擴散的現象產生。我們研究了在攝氏500度的氧氣環境下不同的高溫處理時間對鎳/銀(1/150 nm)、鎳/銀/金(1/150/150 nm) 與鎳/銀/鈦/金(1/150/500/150 nm)等金屬電極的比較；使用了新型的傳輸線模型來量測特徵接觸電阻與在465 nm波長在玻璃上的反射率。此外，我們也使用了掃描式電子顯微鏡與二次離子質譜儀等量測方式來觀察與分析這三種電極設計在銀的聚集與金、銀兩種金屬互相擴散的現象。
在探討了鎳/銀/鈦/金金屬電極在p型氮化鎵上經過高溫處理的現象之後，我們接著研究作為擴散阻擋層的鈦金屬在具有不同厚度的設計下對鎳/銀/金系列金屬電極在攝氏500度的高溫氧氣環境下的影響。本研究探討了鎳/銀/金(1/150/150 nm)，鎳/銀/鈦/金(1/150/100/150 nm)、鎳/銀/鈦/金(1/150/300/150 nm) 與鎳/銀/鈦/金(1/150/500/150 nm)等四種電極設計在p型氮化鎵上在高溫處理下的現象與機制。我們已經知道鎳/銀/鈦/金設計的金屬電極可以有效地減少在高溫處理後銀的聚集與金、銀兩種金屬互相擴散的現象產生；然而，值得注意的是不同的鈦金屬厚度對金屬電極在p型氮化鎵上的電特性量測與在玻璃上的光特性量測有不同的結果產生。經由新型的傳輸線模型分析、光反射率量測、二次離子質譜儀分析、原子力顯微鏡特量測與四點探針量測等分析，我們研究了這四種電極設計在徵接觸電阻、光反射率、表面粗糙程度與片電阻等特性的變化，並且獲得了不同電極設計的相關分析結果與反應機制。

Abstract in Chinese  ………………………………………………I
Abstract in English  ………………………………………………V
Contents ……………………………………………………………XII
Figure Captions ……………………………………………………XV
Table Captions …………………………………………………XXIII
Chapter 1 Introduction ……………………………………………1
1.1 Introduction and Motivation  ………………………………1
1.2 Organization of the dissertation …………………………2
Chapter 2 Enhanced Light output of GaN-based light-emitting diodes with ladder-shaped deep slanting sidewall reflectors on the backside of patterned sapphire substrates …………5
2.1 Introduction ……………………………………………………5
2.2 Experiment ………………………………………………………6
 2.2.1 Process flow…………………………………………………6
2.2.2 Experiment on wet etching of sapphire…………………8
2.3 Results and Discussion ………………………………………10
2.4 Conclusion ………………………………………………………14
Chapter3 Improvement of Surface Emission for GaN-Based Light-Emitting Diodes with a Metal-via-Hole Structure Embedded in a Reflector  …………………………………………29
3.1 Introduction ……………………………………………………29
3.2 Experiment ………………………………………………………30
3.2.1 Process flow …………………………………………………30
3.2.2 Design of patterned sapphire substrate for GaN-LEDs with metal-via-hole structure……………………………………32
3.2.3 Copper electroplating to fill the via-hole of the patterned sapphire substrate ……………………………………35
3.3 Results and Discussion ………………………………………38
3.4 Conclusion ………………………………………………………42
Chapter 4 Investigation of thermal stability for the Ni/Ag-based contacts on p-Type GaN ……………………………………68
4.1 Introduction ……………………………………………………68
4.2 Experiment ………………………………………………………68
4.3 Results and Discussion ………………………………………70
4.4 Conclusion ………………………………………………………75
Chapter 5 Effect of titanium diffusion barrier layer in Ni/Ag/Au contacts on p-type GaN  ………………………………84
5.1 Introduction ……………………………………………………84
5.2 Experiment ………………………………………………………85
5.3 Results and Discussion ………………………………………86
5.4 Conclusion ………………………………………………………93
Chapter 6 Future Work ……………………………………………112
References  …………………………………………………………116
Publication List  …………………………………………………127

                                

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