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奈米結構與半極化微型發光二極體應用

為了解決Pixel 4a 5G的問題，作者黃陳嵩文 這樣論述：

立基於成熟穩定的發光二極體技術，微型發光二極體技術在顯示器及無線通訊傳輸的應用被寄予厚望。然而，微型發光二極體晶片受限於量子史塔克效應以及尺寸效應所帶來的影響，仍存在著發光波長位移、效率下降及低操作頻率等問題；微型發光二極體顯示器在製造過程中不可或缺的巨量轉移技術仍面臨良率以及產能的挑戰。因此，本論文提出奈米晶片製程、半極化磊晶結構及量子點螢光粉色轉換技術等方式，可用於發光波長控制、減少量子史塔克效應及改善尺寸效應等，實現了全彩的微型陣列及高頻寬的微型發光二極體元件，分別達到減少巨量轉移次數以及高速傳輸的可見光通訊等目的。第一部分的研究內容透過奈米製程技術，藉由發光波長調變搭配色轉換技術，創

造出一個新的概念：在單一磊晶片上實現全彩微型發光二極體陣列。首先製作發光波長具有535 nm至467 nm調變範圍的奈米環微型發光二極體陣列，搭配原子層沉積技術製作高品質的鈍化保護層，提升奈米環微型發光二極體的光致發光強度達143.7 %，經由時間解析光致發光的分析結果，證實原子層沉積薄膜對微型發光二極體的缺陷具有良好的鈍化效果，改善尺寸效應帶來的影響；接著使用了紅色量子點螢光粉作為色彩轉換層，並藉由非輻射共振能量轉移效應獲得額外53.6%的紅光轉換效率，經由CIE-1931的色座標統計結果，量子點混合型奈米環微型發光二極體可實現104.8 % NTSC及70.8 % Rec. 2020色域空

間，符合全彩顯示器技術的色彩規範。第二部分的研究內容則採用半極化(20-21)微型發光二極體搭配量子點螢光粉光阻技術，實現大面積製造且發光波長相當穩定的全彩微型發光二極體陣列。本研究採用圖案化藍寶石基板及化學機械平坦化技術，取代昂貴的氮化鎵基板，並使用鍺摻雜的方式，增加氮化鎵於(000-1)方向的生長速率，減少磊晶初期產生的堆疊錯位，提高材料的磊晶品質；元件特性方面，半極化(20-21)微型發光二極體在1至200 A/cm2的操作條件下僅有3.2 nm的波長位移以及14.7%的效率下降，與c面元件相比有大幅的改善，顯示導入鍺摻雜的半極化(20-21)發光二極體能有效抑制缺陷的產生及改善量子侷限

史塔克效應的影響；微型陣列在色彩方面則達到114.4% NTSC與85.4% Rec. 2020色域空間的優異表現。第三部分的研究內容為採用半極化(20-21)磊晶結構搭配晶片製程優化，實現高頻寬的綠光微型發光二極體。本研究同樣採用鍺摻雜的方式，製作高品質的半極化(20-21)綠光發光二極體磊晶片，搭配晶片製程的優化，元件在2 kA/cm2的操作電流下呈現525 nm發光波長，並達到756 MHz的頻寬以及1.5 Gbit/s的傳輸速率，該頻寬為綠光發光二極體(發光波長> 500 nm)目前已知最佳的結果，顯示半極化(20-21)磊晶有助於銦氮化鎵發光二極體在長波長特性的改善；半極化(20-2

1)微型發光二極體也呈現良好的偏振特性，未來可結合極化多工調變等方式，進一步提升傳輸速率。本論文採用奈米製程、半極化磊晶及量子點螢光粉色轉換等技術，展現微型發光二極體實現全彩顯示的解決方案及應用於可見光通訊上的優勢，推進相關領域的發展。