InGaN Light-Emitting Diodes with Directional nano-pipe structures

InGaN light-emitting diodes (LEDs) with directional nano-pipe GaN structures were fabricated through a selectively electrochemical (EC) etching process. A 0.85μm-thick n+-GaN:Si epitaxial layer inserted between LED structure and sapphire substrate was transformed into the nano-pipe structure in diluted nitric acid solution with +10V bias voltage. The directional nano-pipe structure was perpendicular to the laser scribing lines and guided by the external bias electric field. Wide etching width (560μm) and high lateral etching rate (9.3μm/min) were achieved in the middle size of InGaN LED chip (560×910 μm2). High light emission intensity and clear Fabry-Pérot interferences were observed in the treated LED structure, caused by low effective refractive index in the nano-pipe GaN structure. Embedded nano-pipe GaN structure with high light extraction property has been demonstrated with one step epitaxial growth process and the selective EC etching process that have a potential for the large-size high efficiency nitride-based LED applications.本論文以雷射處理以及電化學濕式蝕刻技術，製備具有管狀孔洞微結構的氮化銦鎵發光二極體元件，經由雷射處理與電化學濕式蝕刻製程後，在元件底部N型氮化鎵與高濃度摻雜N型氮化鎵層，利用硝酸選擇性蝕刻特性，設計不同矽摻雜濃度之發光二極體元件，對於側蝕管狀孔洞在光特性與電特性探討。 本論文於發光層結構與藍寶石基板中間設計一0.85μm厚度之n+-GaN:Si磊晶層，在稀釋過的硝酸水溶液中施一正偏壓10V，n+-GaN:Si磊晶層形成奈米管狀結構。受外加偏壓電場方向影響奈米管狀結構的方向垂直於雷射切割線。寬度560μm中尺寸氮化銦鎵元件蝕刻速率高達9.3μm/min。埋入式奈米管狀結構具有低折射率的特性，提升LED發光強度，在發散角量測中留有明顯Fabry-Pérot干涉。嵌入式奈米管狀氮化鎵結構有良好取光特性，一次磊晶成長製程，且在低電壓之下能快速進行選擇性電化學蝕刻側蝕，未來具有製備出大尺寸高功率氮化鎵發光二極體之潛力。中文摘要 I Abstract II 章節目錄 III 圖目錄 IV 第一章 序論 1 1.1 照明技術發展演進 1 1.2 發光二極體簡介 2 1.3 Ⅲ-Ⅴ族半導體材料 3 1.4 研究動機 4 第二章 原理與文獻回顧 5 2.1 發光二極體之發光原理 5 2.2 發光二極體之光取出效率 6 2.3 壓電效應 13 2.4 濕式電化學蝕刻 14 2.5 氮化鎵選擇性電化學蝕刻機制文獻回顧 15 第三章 實驗方法與步驟 18 3.1 實驗設計流程圖 18 3.2 試片製備流程 19 3.3 製程設備 21 3.4 分析設備 22 第四章 實驗結果與討論 25 4.1 ST-LED與NP-LED之光學顯微鏡俯視圖 25 4.2 ST-LED與NP-LED之掃描式電子顯微鏡截面圖 26 4.3 ST-LED與NP-LED之電激發光分布圖 28 4.4 ST-LED與NP-LED之不同位置反射率分析 29 4.5 ST-LED與NP-LED之電激發光電流對強度波長 30 4.6 ST-LED與NP-LED之光激發遠場光輻射圖形特性 32 4.7 ST-LED與NP-LED之電激發光線掃描光譜圖 34 4.8 NP-LED之偏振光光學顯微鏡俯視圖 35 第五章 結論與未來展望 36 5.1 結論 36 5.2 未來展望 37 參考文獻 3