不同電極圖型之覆晶型發光二極體特性研究

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(specled)1.前言發光

2、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(refractive index; 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的議

3、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(wire bond)，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l

4、eds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35 w/m-k >相較於gan (130 w/m-k)與si (150 w/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。materialthermal conductivity w/(m x k)ag407cu401au319al237ni59si168

5、gaas47sic490sapphire35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pn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(metal organic chemical vapor deposition, mocvd)成長於(0001)m寶石基板上，磊晶層之結構包括一層厚度50 nm低溫成長的氮化錄 緩衝層，厚度2 gm無摻雜之氮化錄(ugan)，厚度3 pm离摻雜之

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27 seem 氢氣流量3 seem，腔體壓

8、力為8 mtorr，icp功率為700 w rie功率為100w，蝕刻發光二極體之平台範圍以外的結構至n型氮化録磊晶朕。最後再以丙酮將表面光阻去 除，並將試片進行350 °c熱退火處理5分鐘，使ito與p型氮化錄磊晶層達到歐姆接觸的效 果即完成平台定義。將完成平台步驟之磊晶片，由黃光微影在磊晶膜上定義出反射鏡面之區域 > 利用氧電漿 清洗機將顯影完之區域再次清漂，確保無光阻殘留，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將光阻溶解而

9、達到掀離的效果»藉此效 應將微影製程所定義外的金屬區域加以去除，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後，先於試月上塗佈一層高分子材料以轉速2000rpm，時間40秒的參數進行實驗»所得的厚度大約2屮n左右，最後放入烤箱烘烤參數為 135 °c/2 hrs »藉由加熱強化其結構，達到保護的效果。在此步驟中，絕緣層的厚度必須控制 在2屮“，主要是因為，絕緣層的主要功能必須要能完全覆蓋pn接面，使後績蒸鍍n型串聯 電極時能完全隔絕金屬成分與pn接面的可能性。一般而言平台的深度大約定義在1.517 gm 左右，所以絕緣層厚度必須要高於平台的高

10、度，才能夠完全保護。製作完電極保護層後，將 試片以一般清洗流程清洗，確保無高分子材料殘留後，接箸透過黃光微影製程，定義出欲蒸 鍍金屬電極的區域，並利用電子束蒸鍍系統和熱阻式蒸鍍系统分別蒸鍍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，將光阻溶解而達到掀離的效果，將微影製程所定義外的金屬區域加以去除，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，以轉速2000 rpm，時間40秒的參數進行製作，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，參數為135°c/2hrs，藉由加熱強化其結構，達到保護的效果。主要 是因為，絕緣層的功能必須要完全能覆蓋晶粒中間區域，使後績蒸鍍共晶材料只需蒸鍍在晶 粒的上下兩側»覆晶製程即可對準上下兩側共晶區域不必擔心中間區域會導通之因素。製 作完覆晶保護層後將試月以一般清洗流程清洗，確保無离分子材料殘留，接著透過黃光微影製程定義出欲蒸鍍覆晶金屬的區域並利用電子束蒸鍍系統分別蒸鍍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，即利用雷射切割機將試片切割成單顆晶粒元件，接著使用擴張機的機械膨脹力量擴張，即完成單一元件的分離。將切割完成的晶粒，對準並放置於矽基板電路上， 接下來進行回焊*將矽基板與晶粒加熱至焊料共溶點，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结構示意圖。sapphire« d 1 cinsulatormirrorwire bondn-gansolder更高*相對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)型直徑來的小，導致有些電流尚未傳遞至8型與型中間的區域，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光二極體元件完成之結構圖3.結果與討論specled模擬軟體模擬六種不同電極圖型的結構，模擬結果如圖四所示，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域，加上製作平台時減少許多 發光區域，導致整體光綸出功率表現較其他四個電極圖型差。b-d4、b-d5的部分電流分佈電流密度強度比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，且製作平台時犧牲較少的發光區域，所以不僅電流擴散佳且光翰出功率也較 高。圖五為覆晶型發光二極體之各種電極圖型的順向偏壓對電流特性圖。結果顯示各種不同型之發光二

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，結果顯示無論在低電流或高電流注入下， 各種電極圖型結構皆表現应相近的電特性 > 並沒有因為n型電極串聯或加入高分子材料，導 致n型電極接觸面積變少，使最後元件電特性受到影缪。因此量測結果也證明在各種不同電型之漏電極圖型結構下，電特性皆可以維持一定水準。且當操作電壓為5 v時，各種電極 流分別為ipa集中再邊緣區域，使光輸出功率與光電轉換效率下降。spccled棋做元件之好光徑度分佈bs42d存光強度分临圈mspccled棋按尢件之精光菠度分佈bs52d令光強度分

15、体圖2d存先建度分俺圈2d转光淫度分佈sb2d转尢後度分佈圖分佈圖2d伶光事度分佈圖2d令光強度 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讦光後度分佈圈spccled根槪元件 z令光礒度分佈b-r2d好光強曳2d特先険度分饰3hspccled祺投元件 z转光強度分佈2d什光建度 分体圖四 元件之模擬發光強度分佈圖與量測發光強度2d '3d分佈藉由公式計算6，得到輪入電流與外部量子效率之關係如圖七 所示，為了明顯看出下 降的比率，我們將元件驅動在高電流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換效率特性18.09 % 如單純探討注入電子數與光子數的比較關係，整體而言，br的外部量子效率最好 最差的是b-s5。基本上會造成這樣的差異，主要還是因為在電極圖型設計所造成正因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光二極體的電流分佈不均情形，利用specled模擬軟體，針對我們所設計的六種電極型模擬，分析各種電極圖型的電流分佈情形：再與實驗量測結果相互對照與討論。由光場量測儀，可以分析整體元件發光強度，其中以sr與br的發光強度比較均勻， 與模擬之結果對照是吻巻的。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，符合標準值並沒有因為製程過成' 高分子材料或n型串聯電極等等因素而對電性造成彫缪，也證明製程的穩定性。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時可提升16.55 %，再光電轉換效 率與外部量子效率的部分，其中br電極圖型的光電轉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 %。這些結果顯示，覆晶型發 光二極體的電極圖型設計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域。參考文献1 s. hwang and, j. shim, "a method for current spreading analysis andelectrode pattern design in

19、 light-emitting diodes," electron devices, ieee transactions, vol. 55, 2008.2 s. hwang, j. yoon, j. shim, and k. yoo, “effect of electrode pattern on lightemission distribution in ingan/gan light emitting diode", physica status solidi (c)y vol. 5, pp. 2179-2182,2008.3 j. s. yun, s. m. hwang, j. i. shim, " current spreading analysis in vertical electrode gan-based blue leds," solid state lighting and