本研究論文在探討使用自組小球顯影技術製作出氮化銦鎵�氮化鎵微米柱結構發光二極體元件與特性量測,第一部分重點在於自組小球顯影技術的原理與實施,我們成功地利用旋轉塗佈的方式在晶片上鋪設出單層緊密堆積的一微米聚苯乙烯小球,除了利用鋪設好的小球當作遮罩,再利用感應偶合電漿蝕刻出微米柱結構的氮化銦鎵�氮化鎵發光二極體,我們也在矽基板與氮化鎵基板上,利用不同的蝕刻參數,蝕刻出一微米透鏡陣列的結構,未來可應用在雷射光斑去除與發光二極體表面粗糙化等。 第二部分,我們利用實驗室成熟的光致電化學氧化層鈍化技術,搭配塗佈式玻璃材料(Spin-On-Glass)與機械化學研磨(CMP)的平坦化製程,成功完成具微米柱結構發光二極體元件製程技術之開發。在電性量測中,具氧化鈍化層之微米柱發光二極體元件漏電流,相較於未氧化之元件,在-5V時從2.358uA大幅降低到53nA;在L-I曲線中,觀察到在高電流密度下,比起平面型的元件相比,有著較高的斜率。而在電激發光輻射場型的量測中,可觀察到微米三角柱結構發光二極體在側向角度之出光上,與一般平面型發光二極體相比,具有較大角度的出光強度,遠場輻射的半強度張角從61°增加到82°,增加了21°。
抗反射層由於能夠減少表面反射增加入光量,在太陽能電池中扮演著重要的角色。但入射太陽能電池的光線並不全是垂直元件表面,抗反射層能否在大入射角度時還保持著同樣優良的抗反射效果便成了重要的議題。在本篇論文中我們利用兩種方式來製作寬波段廣角度的抗反射層,第一種則是利用侵入式奈米金團簇蝕刻粗糙化矽基板製作微米奈米複合結構,藉由光學量測可以得知其擁有非常良好的寬波段廣角度抗反射效果,在垂直照射時平均反射率僅1.64%,在各種角度照射的情形下都擁有比市售太陽能電池抗反射層更好的抗反射特性。除了優秀的抗反射特性之外,利用侵入式奈米金團簇作為觸媒再配合超音波震盪進行蝕刻可以大幅加速蝕刻反應,使我們可以在數秒鐘之內得到特性良好的抗反射層。另一種是利用多層介電質薄膜結合粗糙化矽基板製作自我複製結構,針對不同情況我們設計了具結構的光學薄膜,透過模擬計算可以得知該結構比一般市售太陽能電池的抗反射層擁有更好的抗反射效果,透過實際在市售太陽能電池上外加我們所設計之光學薄膜,太陽能電池所輸出的光電流在任何入射角度情形下皆有所提升。 另外針對新穎的侵入式奈米金團簇,我們對其基本性質作一些探討,例如矽基板上原生氧化層厚度對其分佈密度的影響、後續熱處理對其分佈的影響以及侵入式奈米金團簇能夠提升蕭特基矽光偵測器的偵測力(Detectivity)等。另外我們利用侵入式奈米金屬團簇來蝕刻氮化鎵基板,並觀察到侵入式奈米金屬團簇亦能夠催化蝕刻液對於氮化鎵的蝕刻反應,藉由光致發光(PL)光譜能夠得知這些蝕刻的結構能夠有效地提升氮化鎵的光萃取效率,具有結構的氮化鎵出光量可以達到原先的1.72倍。
本研究論文在探討氮化銦鎵�氮化鎵發光二極體之製作與特性量測,第一部分重點在於光致電化學氧化法成長之氧化鎵薄膜對於發光二極體之表面鈍化效果與表面出光增益之影響。 在光激螢光強度的量測中,我們觀察到氧化鎵薄膜具有表面鈍化效應與抗反射膜作用,使得光激螢光頻譜上具有光學增益的效果;在氮化鎵頻譜範圍中心波長365nm部分的訊號強度約有60%的增強,而在量子井主動層頻譜範圍中心波長450nm約有80%訊號強度的提升。 在電壓-電流特性量測中,具有氧化鎵薄膜保護層之氮化銦鎵�氮化鎵發光二極體元件並未有特性劣化之現象。由電激螢光強度量測的結果顯示,與未成長氧化膜之元件相較,在中心波長處約有40%的增強,且在10伏特的逆向偏壓下,漏電流約有30%之改善。且在電激發光輻射場型的量測中,可觀察到成長氧化膜之元件在各方向上的出光強度有所增加,尤其在側向角度上有較高的增強比例。 第二部分,我們利用平坦化製程,並結合前述氧化層鈍化技術,成功完成具微米三角柱結構發光二極體製程技術之開發。在電性量測中,具氧化鈍化層之微米三角柱發光二極體元件漏電流,相較於未氧化之元件降低約兩個數量級。而在電激發光輻射場型的量測中,可觀察到微米三角柱結構發光二極體在側向角度之出光上,與一般平面型發光二極體相比,具有較高比例的出光強度。
本論文發展自組小球顯影技術,即利用小球的自我排列特性,形成單層、雙層緊密排列的小球結構,達到顯影之目的。我們也使用繞射光學量測,得到高階的繞射模態光點與彩虹炫光,驗證我們已有鋪設大面積緊密排列的單層小球技術。 本文也完成氮化鎵三角柱共振腔之製作與光學特性量測。透過自組小球顯影、光致化學蝕刻與氫氧化鉀晶面削蝕製程的結合,製作非極性晶面之氮化鎵次微米三角柱,具有高品質平滑的晶面側壁。在266 nm雷射入射下,得到半高寬0.4 nm的單模共振放光,其Q值達1000以上,Gth約為 2 MW/cm2。搭配二維有限時域差分法的模擬,得到三角柱尺寸與模態波長關係圖,確認氮化鎵三角柱共振腔具備單一模態受激發光之特性,且三角柱晶面側壁的反射率R達到98%以上。 本研究在矽基板與氮化鎵基板上,結合自組小球技術與反應式離子蝕刻技術,製備具拋物面體形貌的週期0.35 um的亞波長透鏡陣列。在正面反射率之量測,450 nm至700 nm的可見光波段中,透鏡陣列的反射率皆小於3%。斜向入射量測中,於可見光波段400~800 nm間,在TE模式反射率維持在10%以下的訴求下,可容許的入射角達到45度;而在TM模式中反射率維持在2.5%以下的訴求下,可容許的入射角更廣達60度。 我們亦完成搭載透鏡陣列之矽基板光偵測元件的製作。在相同製程與照光強度下,光電元件搭載亞波長透鏡陣列後,可得到大角度寬頻的抗反射能力,元件效能得到約40%的提升。 而為了進一步利用折射係數匹配的特性,達成大角度寬頻譜範圍的抗反射表面結構,我們嘗試將具拋物面體形貌的矽基板0.35 um週期透鏡陣列作為濺鍍之基板,沉積不同厚度的氧化鋅薄膜,尋求折射係數的最佳匹配條件,以增強光電元件之效率。由實驗中得知,50 nm厚度的氧化鋅薄膜是目前最佳化的條件,在400~750 nm波段,得到小於1%的正面反射率表現;而在400~800 nm波段,斜向入射之量測結果顯示,TE模式之反射率在30度的斜向入射角之內,可將反射率維持在2.5%以下,TM模式之反射率在45度的斜向入射角之內,可將反射率維持在1%以下,充分展現氧化鋅/透鏡陣列表面結構的效能改善,得到更大角度之寬頻抗反射特性。
本論文主要探討氮化鎵奈米結構之製作與特性分析,分成兩個部分論述。第一部份細述以V-L-S機制成長氮化鎵奈米結構,第二部份是氮化鎵奈米線發光二極體之製作與量測。 首先,本文敘述實驗室自製V-L-S氮化鎵奈米線晶體成長系統,並且使用SEM、PL、EDS、TEM、XPS等量測技術,分析氮化鎵奈米線晶體之外觀、品質及晶體之成分。從PL結果得知晶體激發出中心位置在363 nm,半高全寬為42 nm的紫外光,與一寬頻的黃光發光。由EDS和XPS元素分析中得知晶體的主要成分為氮化鎵,而由TEM材料分析得知晶體為單晶結構。 吾人以此奈米線晶體結構製作發光二極體元件,並量測其電壓-電流特性、電激發光頻譜以及光電流。元件展現出非一般理想發光二極體的特性。在正負偏壓下皆有可見光及紫外光發光,且發光頻譜有強烈藍移現象。並於文末提出光助穿隧模型嘗試解釋此奈米線發光二極體之電激發光機制。
在製作以藍寶石為基板的氮化鎵(GaN)類發光二極體(Light-Emitting Diodes, LEDs)時,由於磊晶層與基板間的晶格常數及熱膨脹係數不同,將使磊晶層受到壓縮應力(Compressive Strain),並產生大量穿隧差排(Threading Dislocations, TDs),導致降低磊晶層的品質及LED發光效率。透過圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrates, PSSs)是一種可以有效減少壓縮應力和穿隧差排的方法,並且可以提高光萃取率和發光效率。 本篇論文將探討在PSS的設計中,如何調變表面結構來減少穿隧差排密度及壓縮應力。吾人利用電子束微影系統搭配我們的濕蝕刻技術,在C-Plane的藍寶石基板上製作一系列不同週期、不同結構大小、但深度同為1200奈米的表面微結構,並使用有機金屬化學氣象沉積系統來磊晶。透過PL光致激發系統及Raman光譜儀系統,我們發現在基板表面微結構相互夾止成特殊”鷹嘴狀”或是”三芒星狀”時,將達到主動層之穿隧差排密度的最低點,而其LED元件也擁有最佳的發光效率。在其中,我們證明效率衰減起因於主動層之穿隧差排,而且以四方(Cubic)排列之週期性結構相較於六方(Hexagonal)排列的結構,擁有較佳之發光效率。
成長在藍寶石基板上的氮化鎵類發光二極體,因磊晶層與藍寶石基板間的晶格常數不匹配以及熱膨脹係數的差異,使得元件產生大量穿隧差排;若通過改變基板表面形貌,在基板上製作奈米結構,將可抑制磊晶層差排的產生。為探究基板形貌與磊晶之交互關係,本篇論文將藉由製作奈米圖案化藍寶石基板,改變方陣型結構週期與大小,探討對氮化鎵類磊晶體薄膜的影響。吾人使用電子束微影系統搭配乾式蝕刻技術,製作出一系列不同週期、結構大小,但相同深度的奈米結構於藍寶石基板上,並使用有機金屬化學氣相沉積系統進行氮化鎵類材料磊晶。其後,將使用非破壞性的光學顯微鏡、光致螢光量測系統、拉曼光譜系統等分析磊晶變化以及觀察缺陷密度,據斯提出氮化鎵成長模型。本研究發現到結構間距小於600nm時會出現磊晶方式的轉變,可同時降低穿隧差排密度與薄膜應力,相似於free-standing GaN材料。接著將上述觀測結果應用在發光二極體上並以電致發光檢測元件發光效率,同時探討效率衰減之原因並指出應該為穿隧差排。
本研究論文主要探討使用自組小球顯影技術,利用旋轉塗佈法,於基板表面鋪設單層週期性的小球結構。透過二維嚴格耦合波模擬設計,我們在不同基板表面鋪設單層100nm的二氧化矽小球,在400nm ~700nm的可見光波段中,量測到穿透率皆有提升之效果。即便入射光於60度斜向入射基板下,鋪設單層小球之基板穿透率仍可提升10%以上,展現抗反射表面週期性奈米結構具寬頻,大角度之優勢。本方法並實際鋪設於大面積基板表面,驗證低成本,高產出之量產優勢。 此外,我們也以自組小球顯影技術,利用小球作為蝕刻遮罩,結合乾式蝕刻與濕式蝕刻,製作出抗反射表面結構於半導體基板表面。我們並利用此抗反射半導體基板具高穿透率,以及半導體基板表面奈米結構之電場呈現空間梯度變化之特性,結合液晶分子研製出消雷射光斑元件。我們更進一步利用弦波偏壓驅動液晶分子,來量測元件去光斑之效果,由原本62.5%下降至24.3%,降低雷射光斑對比值,以達到降低雷射光斑之目的。
氮化鎵屬於第三代半導體,具備了寬能隙、高電子遷移率、高載子傳輸速度與高崩潰電場等特性,而以氮化鋁鎵/氮化鎵為材料的高電子遷移率電晶體,在氮化鋁鎵及氮化鎵接面處會有極化反應的產生,進而生成高濃度的二維電子氣(Two-dimensional electron gas, 2DEG),使得此電晶體能在高頻及高功率元件中有良好的特性表現及發展空間。 本論文採用以碳化矽(SiC)基板為底搭配氮化鎵磊晶層而成之試片,研究微縮閘極線寬對高電子遷移率電晶體之影響,且將該製作之元件進行電性量測及分析。此外,本論文並於矽基板上利用三層光阻( ZEP(1:1)/LOR/ZEP(1:1) )之T型閘極技術與角標對準優化技術製作出小閘極線寬。利用角標對準優化技術,讓實驗之二次對準良率提高,再加上三層光阻( ZEP(1:1)/LOR/ZEP(1:1) )定義出T型的閘極,並使用電子束微影技術成功開發出閘極線寬(T型閘極的, T-foot,)78.5奈米的元件,最後利用簡化後的公式,進行高頻特性參數的估算及比較。
本研究主要藉由低成本之化學還原法還原出奈米金粒子,並將其置入於摻鋁氧化鋅薄膜中,藉由調變不同熱處理製程參數,除有效去除奈米金粒子周邊的有機物質外亦藉由重整整體薄膜的緻密性,更進一步提升整體AZO薄膜的光電特性。研究中首先藉由調變不同溫度與持溫時間之熱處理,除去奈米金周邊有機物質外並提升整體膜層品質及奈米金分布,最後再處以不同轉速之旋轉塗佈來更改善奈米金粒子的分布,以提升奈米金粒對整體AZO薄膜的光電特性。製程後藉由掃描式顯微鏡(SEM)、X光繞射儀(XRD)和原子力顯微鏡(AFM)來分析奈米金粒分布、結構與薄膜的特性,再藉由霍爾載子量測(Hall-effect measurement)系統及紫外光/可見光光譜儀(UV-VIS-NIR Spectrophotometer)來量測薄膜的光電特性。研究結果顯示,經700℃、20分鐘的熱燒結處理,可較有效去除奈米金粒子周邊的有機物質,再藉由500℃、10分鐘之熱處理後,整體薄膜品質獲得提升。再導入以500rmp、30秒的旋轉塗佈後,由於奈米金粒子的分布呈現較均勻狀態,最後可使電阻降低至3.77×10-2、穿透率於可見光範圍內可提升為85.63%,且得到最佳光電效益值為4.50×10-5Ω-1。
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