TWI332272B - - Google Patents

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1332272 I f 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種串接陣列式高速綠光發光二 極體，尤指一種利用中心波長之不同及串接陣列式結 構，使其傳播損耗小及有較寬之頻寬，在不需成長複 雜之共振腔磊晶層結構下，即可達成高速'高效率及 高功率之目標。 【先前技術】 隨著科技之進步’塑膠光纖應用之層面越來越廣 泛，不但在主機板及手機上可以應用，在速度提升到 500連線頻寬（Mbps)或！背板頻寬（Gbps)時，將 可取代絕大多數需要應用玻璃光纖之高科技民生用 。口。目則Toslink塑膠光纖傳輸模組因受限於傳輸速 度，主要應用於音效之部分，當速度提升到丨背板頻 寬之後，連影像之傳輸也可以大幅應用，如現在正在 鲁 發展之高畫質電視、汽車駕駛即時影像之訊號傳輸、 數位相機資料之上傳和下載、或以IEEE _丨394為架構 並搭配塑膠光纖為傳輸媒介之家庭網路。 凊參閱『第1 2圖』所示，係習用之車内塑膠光 纖通信系統示意圖。如圖所示：到目前為止，目前塑 膠光纖最主要之市場就係應用在車内之光纖通信；且 汽車產業聯盟（MOST )也已定出此系統之規格。此規 格係包含了一 22.5百萬位元/秒（Mbit/sec)之高速紅 6 1332272 光二極體和PMMA塑膠光纖6 ·。 然而在PhMA光纖（PMMA fiber )中（請參第7 圖）’事實上最低之損耗窗口在520奈米 (nm )和 570 奈米波段。在650奈米光波段之窗口與520奈米及570 奈米波段相比之下，其損耗約每公里125分貝 (125dB/km )，不僅損耗較高且較窄，且伴隨而來之 問題為畲雷射二極體或發光二極體等光源作長時間操 作時，因為長時間受熱之影響，將導致光源波長之偏 移’而使其光源操作在損失較大之波段，造成較大之 光功率損耗。 凊參閱『第1 3圖』所示，係習用之高速紅光發 光二極體結構。如圖所示：該紅光發光二極體係具有 分佈式反射鏡之結構，其至少包含一砷化鎵（Gan|um Arsenide，GaAs)基板7工、一分佈式反射鏡（b咖⑺ mirror) 7 2、一活性侷限區7 3、一頂部布拉格反射 鏡（t〇PDBRmirror)7 4、及一連接層（c〇ntacUayer) 7 5，如是，可增進其發光效率和輸出功率。藉由該 分佈式反射鏡不僅可以大幅提升元件速度和功率，並 且也可提升輸出光場和光纖之耦合效率。然而若要將 f蠢晶結構實現在綠光波長，在長晶上因為1化銦鎵/ 乳化鎵（InGaN/GaN )晶格不匹g己，將不易完成。若 將綠光發¥ —極體主動區面積加大，耗料提升豆 輸出功率最直接之方式1而其RC頻寬限制和電流 7 /2 擁擦效應將會使得此方法並不可行。 又瓜之串接式結構雖然和共振腔發光二極體一 有提升效率之效果’但串接式結構之光場發散角 :和-般發光二極體一樣非常大，如此便導致了與光 纖間極差之搞合效率。 一 V、上所述，由於傳統車内塑膠光纖通信所使用之 ^紅光/綠光發光：極體，需成長複雜之共振腔蟲晶 :互不:堇其光功率損耗大，且在元件中速度與功率間 :目抵觸而造成光源與光纖耦合效率變差，進而致 ^ “ . 77佈不均。—般f用者係無法符合使用卓 於貫際使用時之所需。 尤用w 【發明内容】 本發明之主要目的係在於，利用中心波長 士串接陣列式結構’使其傳播損 5 寬’不僅不需額外之秘動電流源，且亦不有二頻 2共振腔蟲晶層結構，即可達成高速、高s=:雜 率之目標，以改善電流分佈不均之缺點。“及㈣ 為達以上之目的，本發明係一 綠光發光二極體，先：接陣列式高速 -綠光多波長量4 :::亚在該基板上成長 又坑里十井，而該綠光多波長 ' 及上下方係·由蟲晶成長之Ρ型摻雜區及;^則邊 包圍，以形成-™結構，並將該=::: 1332272 區域以串接之方式，使每—顆叩二極體結構 雜區和另一顆.Pn二極體結構之η型摻雜區串多 起，以避免電流擁播效應。且該争接之方式俜^: 面波導電極板之正電極和負電極放置在一位於該升; 摻雜區與η型摻雜區上方之会 ' ^ Ρ ^ ^ , 邑緣層，以利於外部交_ …入。除此之外，該串接後之結構元件表面 可進一步加上一介電質之多層膜或單層膜’亦或直^ 蝕刻於这結構元件表面，以修正其輸出光場，進 成一具有週期性微結構之發光二極體。 / 【實施方式】 =參閱『第1圖〜第6圖』所示，係分別為 明之製作流程示意圖、本發明之串接Pn接面結構垂; 剖面示意圖、本發明之串接㈣妾面結構水準剖面示音 圖、本發明之發光二極體結構俯視示意圖、本發明： 發先二極體串接結構俯視示意圖及本發明之週期 結構剖面示意圖。如圖所示：本發明係一種争接陣列 式尚速綠光發光二極體’今以製作氮化鎵二 例’其至少包括下列步驟： … (A)選擇一基板1 1 :先選擇-半絕緣半導體 或絕緣介電材料為基板2工’其令，該半絕緣半導雕 係為所有之化合物或四族半導體，並進—步可為坤= 鎵（Gam^ Arsenide，GaAs )、磷化銦（丨

Ph〇Sphide，InP)、氮化鋁（Aluminum Nitride，ΑίΝ)、 9 1332272

· I 氮化銦（Indium Nitride，InN)或矽（Si);該絕緣介電 材料係可為藍寶石（Sapphire)、碳化矽（Si丨丨c〇n Carbide， SiC)或鑽石（Diamond); (B )在該基板上成長一綠光多波長量子井以形成 一 pn二極體結構1 2 :在該基板2 1上成長一綠光多 波長量子井2 2，而該綠光多波長量子井2 2之側邊 及上下方係由磊晶成長之p型摻雜區2 3及η型摻雜 籲 區2 4所包圍，以形成一 ρη二極體結構1。 而該Ρ型摻雜區2 3與η型摻雜區2 4對該綠光 多波長量子井2 2側邊之包圍，其包圍方法係至少包 括下列兩種： (a)先將該綠光多波長量子井2 2蝕刻成平臺 狀後’再利用蟲晶成長之方式於其側邊製作，以形成 該pn二極體結構1。 ❿ （b)以離子佈植之方式，將各種半導體所對應 之P、η摻雜物佈植到該綠光多波長量子井2 2之側 邊:藉由加熱擴散之方式，將該Ρ型摻雜區23與η 型摻雜區2 4擴大到所需之深度及範圍，並於加熱擴 散製程進行之同時，可進一步以覆蓋物將發光區蓋 住’而未發光區及未受覆蓋層保護之區域，在經過卯 離子佈植後/斤造成之量子井失序（Dis〇rder)，可達到 降低元件電阻之功效，益形成該Pn二極體結構χ。 1332272 其中’ #亥綠光多波長罝‘子井2 2係可由各不同成 分之化合物半·導體及其合金材料構成之異質接面所形 成’並進一步可為氮化鎵/AIGaAN/氮化銦鎵 (GaN/AIGaAN /InGaN );該覆蓋物係可為氮化矽 (Silicon Nitride，Si3N4 )，·該磊晶成長之方式係可為分 子束磊晶法（Molecular Beam Epitaxy，MBE )、有機金 屬化學氣相沈積法（Meta丨0rganic Chemical Vap〇r Deposition, M0CVD)或氫化物氣相磊晶法（办心丨心

Vapor Phase Epitaxy，HVPE)中擇其一；以及 (C)串接該pn二極體結構並於其結構上加上一 "電貝之夕層臈或單層膜，亦或直接姓刻以形成一具 有週期性微結構之發光二極體i 3 :將該卯二極體之 區域以串接之方式，使每一顆pn二極體結構1&之p 型摻雜區2 3和另-顆Pn二極體結構1 b之n型摻雜 區24串接在一起，以避免電流擁擠效應。且該串接 之方式係將一共面波導電極板3 2之正電極和負電極 放置在位於4 Ρ型推雜區2 3與η型推雜區2 4上 方之絕緣層3 1 ’以利於外部交流信號加入。除此之 外’遠串接後之結構元件表面，係可進一步加上一介 电貝之户層膜或單層膜，亦或直接姓刻於該結構元件 表 乂 G正其輸出光場，進而形成一具有週期性微 結構2之發·光二極體’可降低發散角並增進光場搞合 效率’其中’該介電質之材料係可為矽氮化物（SiNx)、 1332272 * * » * 石夕氧化物（SiOx)、氮化矽、二氧化矽（SiHc〇n Di〇xide， • ·

Si〇2)或氟化 1¾ ( Calcium Fluoride, CaF2 )。 請進一步參閱『第7圖』所示，係本發明之PMMA 材料光纖損耗對應波長頻譜示意圖。如圖所示：在52〇 奈米（nm)及570奈米波段左右有較寬較廣之低損耗 視窗，其至少小於每公里90分貝（90dB/km)，且在 中心波長由紅光移到綠光’於目前商業化之聚曱基丙 _ 烯酸甲脂（PMM A )塑膠光纖傳播損耗會相對較小， 而頻寬也較具寬廣。故本發明以此提出一高速可用於 車内光通信之綠光發光二極體（Light Emitting Di〇de， LED)。 ’ 。月參閱『第8圖及第9圖』所示，係分別為本發 明之單一和串接式LED功率對電流比較示意圖及本發 明之單一和串接式LED電壓對電流比較示意圖。如圖 所示：串接結構可以大幅提升元件之外部量子效益， _ 其提升倍數正比於串接個數。由圖中一顆綠光發光二 極體曲線4 1、二顆綠光發光二極體曲線4 2、及四 ^綠光發光二極體曲線4 3，從各曲線之功率對電流 量測結果顯示，可清楚得知在同樣電流驅動下其輪出 率有約到2倍或至4倍之提升，此結果也證明瞭電 流擁擠效應在本發明之結構中並不嚴重。並且與並聯 名。構相比，淹然其插座效率（walUplUg-efficiency)因 為啟動電壓（turn_Qn_vc)ltage )增加之關係並*會明顯 1332272 增加，但從本發明實驗結果所*，其啟動Μ會隨著 串接之個數而線性增加，可藉車内電池之電壓η伏特 (ν)直接驅動’而不須要另外特殊設計之電流源驅 動’因此可達到降低成本之功效。

今以氮化鎵綠光發光二極體為例，由於該氮化鎵 綠光發光二極體本身具有較大之順向偏壓和串接陣列 式之結構’可使其三顆發光二極體串接之啟動電麼約 在1〇伏特’剛好可用以車内12伏特之電池直接驅動， 而不須額外驅動電流源。

清參閱『第1 ◦圖』所示，係本發明之單一和串 接式LED頻率響應示意圖。如圖所示：元件在速度表 現方面，雖然_接發光二極體有較高之輸出效率 率，但其速度表現並不會因為串接電阻之增加而劣 化。因為串接結構可使元件電容有效隨著串接個數之 增加而等比例下降。雖然元件寄生電阻也會等比例上 升’但元件之總電阻因為包含了 50歐姆射頻（DRF ) 信號’所以總電阻並不會等比例隨之上升。如此RC 頻寬限制便不會因為元件之總主動區面積增加而劣 化。 k本發明之單一發光二極體60mA曲線5 1、 1 20mA曲線5 2、1 40mA曲線5 3及四顆串接式發光 二極體60mA曲線5 4、120mA曲線5 5、140mA曲 線5 6等不同電流下之速度表現觀之，可清楚看到雖 1332272 2四顆發光二極體有較大面積和輸出效率及功率作 其速度表現並.不會因而犧牲，足以證明本發 一 :出功率和調制速度’可超越目前之紅光發光二極 亚且和傳統之綠光發光二極體相比，此新穎处 可大幅緩解元件中速度和功率表現上之互相抵觸。。 請參閱『第丄丄圖』所示’係本發 =模擬輸出光場示意圖。如圖所示：在結構 二作週期性微結構2(請參第6圖)，從模擬之輪： J ’可清楚看到在加上此週期性微結構2後，輸出 先π之張角可壓縮到接近土3〇度。如 , 長複雜之共振腔蟲晶層結構 == ，之間_，以達成高速、高效率二= y傳統綠光發光二極趙中，電流分佈= ==本發明係一種串接陣列式高速 疋一極體，可有效对·盖羽田七仏 负文文。I用之種種缺點，利用中'、，士 =及串接陣列式結構’使其傳播損耗小及;;t ::頻見’不僅不需額外之驅動電流源 :複雜之共振腔蟲晶層結構，即可達成高速、高；ί 及南功率之目標，以改善電 放率 使本發明之産生能更進步、 _ 進而 所須，確£：7夺合發明專利申之件更心使用者之 利申請。 ㈣申°月之要件’爰依法提出專 1332272 例而已 准以上所i4者，僅為本發明之較〜 當不能以此限定本發明實施之貫施 由咬垂土丨μ帕 4文’凡依本發明 申明專利乾圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變 化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 1332272 【圖式簡單說明】 第1圖’係本發明之製作流程示意圖。 第2圖，係本發明之串接叩接面結構垂直剖面示意 圖。 第3圖，係本發明之串接pn接面& 文囬、吉構水準剖面示意 圖。 第4圖，係本發明之發光二極體結構俯視示意圖。

第5圖’係'本發明之發光二極體串接結構俯視示意 圖。 第6圖，係本發明之週期性微結構剖面示意圖。 第7圖，係本發明之PMMA Μ决-I I., Α材枓光纖損耗對應波長 頻譜示音。

第8圖 第

第 係本發明之單一和串接式 比幸父不意圖。 係本發明之举一和串接式 比較示意圖。 led功率對電流 led電壓對電流 0圖，係本發明之單—和串接式 不意圖。 LED頻率響應 圖，係本發明之週期性微結翻擬^ 意圖。 光場示 1332272 * ' .. . 【主要元件符號說明】 (本發明部分·） pn二極體結構1、1 &、1 b 步驟11〜13 週期性微結構2 基板2 1 ’綠光多波長量子井2 2 P型摻雜區2 3 η型摻雜區2 4 絕緣層3 1 共面波導電極板3 2 —顆綠光發光二極體曲線4 1 —顆綠光發光二極體曲線4 2 鲁 四顆綠光發光二極體曲線4 3 單一發光二極體60m Α曲線5 1 單一發光二極體1 20mA曲線5 2 單一發光二極體140mA曲線5 3 四顆串接式發光二極體60m A曲線5 4 四顆串接么發光二極體1 20mA曲線5 5 四顆串接式發光二極體140mA曲線5 6 1332272 (習用部分） 塑膠光纖6 ' 砷化鎵基板7 1 分佈式反射鏡7 2 活性侷限區7 3 頂部布拉格反射鏡7 4 連接層7 5

Claims (1)

1. '申請專利範圍： 光一極體，其製造方法 -種串接陣列式高迷綠光發 至少包括下列步驟： (A)選擇—基板： 、 在垓基板上成長一由P型摻雜區及11型 f雜區包圍之綠光多波長量子井，以形成一 pn 極體結構；以及 卯― —(c )將4 pn二極體結構之區域以串接之方式 :每顆pn —極體結構之P型摻雜區和另一顆pn 一極體結構之n型摻雜區串接在一起。 2 依據申睛專利範圍第丄項所述之串接陣列式高速綠 光發光二極體，其中，該基板係可為半絕緣半導體 或絕緣介電材料。 3依據申凊專利範圍第2項所述之串接陣列式高速綠 光發光二極體，其中，該半絕緣半導體係為所有之 化合物或四族半導體，並進一步可為砷化鎵 (Gallium Arsenide，GaAs )、磷化銦（Indium Phosphide, InP)、氮化鋁（Aluminum Nitride, AIN )、 氮化銦（Indium Nitride, InN)或石夕（si)。 4 .依據申請專利範圍第2項所述之串接陣列式高速綠 光發光二極體，其中’該絕緣介電材料係可為藍寶 石（Sapphire)、碳化石夕（Silicon Carbide, SiC)或 19 1332272 鑽石（Diamond )。 5 ·依據申請專利範圍第"員所述之串接陣列式高速綠 光發光二極體，其令，該綠光多波長量子井係可由 各不同成分之化合物半導體及其合金材料構成之显 質接面所形成，並進-步可為氮化鎵/AIGaAN⑷匕 銦鎵（GaN/AIGaAN/InGaN)。 6 ·依射請專利範圍第}項所述之串接陣列式高速綠

   光發光二極體，其中，該綠光多波長量子井之側邊 係由該p型摻雜區與n型摻雜區所包圍。 7 ·依據申請專利範圍第6項所述之_接陣列式高速綠 光發光二極體，其中，該卩型摻雜區 =將該綠先多波長量子絲刻成平臺狀後 磊晶成長之方式於其側邊製作。

   3 ·依據申請專利範圍第7項所述之串接陣列式高速綠 光發光二極體，其中，該磊晶成長之方式係可為分 子束磊晶法（Molecuiar Beam Epitaxy, MBE )' 有機 金屬化4*氣相沈積法（Metal Organic Chemical Vapor Depositi〇n，M〇CVD)或氫化物氣相磊晶法 (Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE )中擇其—。 丨·依據申請專利範圍第6項所述之串接陣列式高速綠 光發光二-極體，其中，該p型摻雜區與n型摻雜區 係以離子佈植之方式，將各種半導體所對應之ρ、η 20 形成一 : 參雜物佈植到該綠光多波長量子井之側邊 Pn二極體結構。 綠 /l(L 11第9項所述之串接陣列式高速 毛光一極體’其中，該離子佈植係可由加熱擴 命之方式將1 2 3 4 5亥Ρ型摻雜區與η型摻雜區擴大到所 的之深度及範圍。 依據申°月專利範圍第1〇項所述之串接陣列式高 =光發光二極體，料，該離子佈植於加熱擴散 製程進行之同時，可進—步以覆蓋物將發光區蓋住。 •依據申請專利範圍第1 1項所述之串接陣列式高 速綠光發光二極體’其中，該覆蓋物係可為氮化石夕 (Silicon Nitride, Si3N4)。 依據申凊專利範圍第1項所述之串接陣列式高速 綠光發光二極體，其中，該綠光多波長量子井之上 下方係由蟲晶成長之P型摻雜區與η型摻雜區所包 圍。 1 4 .依據申請專利範圍第1 3項所述之串接陣列式高 2 速綠光發光二極體’其中’該蟲晶成長之方式係可 3 為分子束蟲晶法（Molecular Beam Epitaxy，ΜΒΕ )、 4 有機金屬化學氣相沈積法（Metai Organic Chemical 5 Vapor Deposition，MOCVD)或氫化物氣相磊晶法 (Hydride Vapor Phase Epitaxy, HYPE)中擇其一。 1332272 1 5 .依射請專利範㈣11；貞所述之串接陣 光二，極體，其中’該串接之方式須將1:面 二電極板之正電極和負電極放置在—位於該 #雜區與η型摻雜區上方之絕緣層。 、χ _ 6 .依據申請專利範圍第1項所述之申接陣 綠光發光二極體，其中，該串接後之結構元件 係可進·一步加上一介電質之多層膜或單層膜，形成 一具有週期性微結構之發光二極體。 7 .依據申請專利範圍第1 Θ項所述之串接陣列式言 速綠光發光二極體’其中，該介電質之材料係可： 矽氮化物（SiNx)、矽氧化物（Si〇x)、氮化矽、= 氧化石夕（Silicon Dioxide，Si02)或氟化鈣（Caic^ Fluoride, CaF2 )。 8.依據申請專利範圍第16項所述之串接陣列式古 速綠光發光二極體，其中，該週期性微結構亦= 直接蝕刻其串接後之結構元件表面獲得。 22