采用濕式蝕刻工藝提高LED光提取效率分析

　　1、 前言

　　近幾年來(lái)III族氮化物(III-Nitride)高亮度發(fā)光二極體(High Brightness Light Emission Diode; HB-LED)深獲廣大重視，目前廣泛應用于交通號誌、LCD背光源及各種照明使用上?；旧?，GaN LED是以磊晶(Epitaxial)方式生長(cháng)在藍寶石基板(Sapphire Substrate)上，由于磊晶GaN與底部藍寶石基板的晶格常數(Lattice Constant)及熱膨脹係數(Coefficient of Thermo Expansion; CTE)相差極大，所以會(huì )產(chǎn)生高密度線(xiàn)差排(Thread Dislocation)達108~1010 / cm2，此種高密度線(xiàn)差排則會(huì )限制了GaN LED的發(fā)光效率。

　　此外，在HB-LED結構中，除了主動(dòng)層(Active Region)及其他層會(huì )吸收光之外，另外必須注意的就是半導體的高折射係數(High Refractive Index)，這將使得LED所產(chǎn)生的光受到局限(Trapped Light)。以圖1來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，從主動(dòng)區所發(fā)射的光線(xiàn)在到達半導體與周?chē)諝庵缑鏁r(shí)，如果光的入射角大于逃逸角錐(Escape Cone)之臨界角(Critical Angle;αc)時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生全內反射(Total Internal Reflection)；對于高折射係數之半導體而言，其臨界角都非常小，當折射係數為3.3時(shí)，其全內反射角則只有17o，所以大部份從主動(dòng)區所發(fā)射的光線(xiàn)，將被局限(Trapped)于半導體內部，這種被局限的光有可能會(huì )被較厚的基板所吸收。此外，由于基板之電子與電洞對，會(huì )因基板品質(zhì)不良或效率較低，導致有較大機率產(chǎn)生非輻射復回(Recombine Non-Radiatively)，進(jìn)而降低LED效率。所以如何從半導體之主動(dòng)區萃取光源，以進(jìn)而增加光萃取效率(Light Extraction Efficiency)，乃成為各LED制造商最重要的努力目標。

　　目前有兩種方法可增加LED光提取效率：

　　(1)第一種方法是在LED磊晶前，進(jìn)行藍寶石基板的蝕刻圖形化(Pattern Sapphire Substrate; PSS)；

　　(2)第二種方法是在LED磊晶后，進(jìn)行藍寶石基板的側邊蝕刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以及基板背面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)。本文將參考相關(guān)文獻[1~6]，探討如何利用高溫磷酸濕式化學(xué)蝕刻技術(shù)，來(lái)達到增加LED光提取效率之目的。

　　此外，針對LED生產(chǎn)線(xiàn)之高產(chǎn)能與高良率需求時(shí)，在工藝系統設計制作上必須考慮到哪些因數，亦將進(jìn)行詳細探討，以期達到增加LED光提取效率之目的。

圖1

如圖1所示，從主動(dòng)區所發(fā)射的光線(xiàn)在到達半導體與周?chē)諝庵缑鏁r(shí)，如果光的入射角大于臨界角(αc)時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生全內反射。

2、磊晶前藍寶石基板之蝕刻圖形化(PPS)工藝

藍寶石基板蝕刻圖形化(PPS)可以有效增加光的萃取效率，因為藉由基板表面幾何圖形之變化，可以改變LED的散射機制，或將散射光導引至LED內部，進(jìn)而由逃逸角錐中穿出。目前使用單步驟無(wú)光罩乾式蝕刻技術(shù)(Maskless Dry Etching)來(lái)加工藍寶石(Sapphire)基板，雖然可以改善內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)和光萃取率(Light Extraction Efficiency)，然而由于藍寶石基板表面非常堅硬，乾式蝕刻會(huì )損傷藍寶石表面，使得線(xiàn)差排(Thread Dislocation)由基板逐漸延伸到頂端的GaN磊晶層，因而影響到LED之磊晶品質(zhì)，所以一般都傾向使用濕式化學(xué)蝕刻方式。有關(guān)藍寶石基板之濕式化學(xué)蝕刻圖形化，以及LED之前段工藝流程，說(shuō)明如下：

A. 首先利用黃光微影工藝在藍寶石基板上制作出所需的圖案。

B. 利用電漿輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PE-CVD)系統在藍寶石基板上方沉積SiO2，進(jìn)行光組去除后，即可形成間隔3μm的陣列圖案。

C. 利用SiO2當作蝕刻遮罩層，在溫度280℃的高溫磷酸與硫酸混合液中蝕刻藍寶石基板，以形成圖案化結構。圖2為使用濕式化學(xué)蝕刻藍寶石基板(PSS)后之橫截面示意圖；圖3為光學(xué)顯微鏡照片。

D. 使用MOCVD生長(cháng)GaN-LED于蝕刻圖案化之藍寶石基板C(0001)面上，GaN-LED結構由下而上，包括：GaN成核層、未摻雜的GaN層、硅摻雜的N-type GaN層、MQW層及P-type GaN層。

E. 使用標準微影技術(shù)及乾式蝕刻來(lái)蝕刻部份的P-type GaN層，以露出N-type GaN層，進(jìn)而定義發(fā)光區域及電極。

F. 沉積ITO透明導電層，接著(zhù)沉積Cr/Au金屬層，在200℃氮氣氣氛下進(jìn)行合金化，以制作P電極與N電極。圖4為GaN LED之前段工藝流程圖；圖5為經(jīng)過(guò)化學(xué)濕式蝕刻圖形化藍寶石基板(PSS)，接著(zhù)生長(cháng)GaN磊晶層的LED結構圖。

圖2 濕式化學(xué)蝕刻藍寶石基板后(PSS)之橫截面示意圖

圖3、濕式化學(xué)蝕刻藍寶石基板后(PSS)之光學(xué)顯微鏡照片。

圖4 GaN LED前段工藝流程圖

圖5 濕式蝕刻圖形化藍寶石基板后，接著(zhù)生長(cháng)GaN磊晶層的LED結構

如圖6所示，經(jīng)濕式化學(xué)蝕刻圖形化之藍寶石基板，基于表面晶格特性，所以會(huì )被蝕刻出呈57o傾斜的{1-102}R面(R Plane)，此種傾斜R面可以大大地增加光的萃取效率。Lee等人利用濕式蝕刻圖形化藍寶石基板制作GaN LED并評估其效能，圖7為傳統LED和PPS LED的電流-輸出光功率曲線(xiàn)之關(guān)係圖，在20mA操作電壓下，傳統LED和PPS LED的輸出功率分別為7.8和9 mW，PPS LED的輸出功率為傳統LED的1.15~1.3倍。

此外，在20mA操作電壓下，傳統LED和PPS LED的外部量子效率(External Quantum Efficiency)分別為14.2%和16.4%，PPS LED的外部量子效率也較傳統LED高1.15倍。因此PPS技術(shù)不只利用藍寶石基板的特殊幾何結構，將光導引至逃逸角錐(Escape Cone)進(jìn)而發(fā)射出去，以增加LED的外部量子效率外，濕式蝕刻PPS結構也可降低Sapphire基板之差排缺陷密度，以進(jìn)而提高GaN的磊晶品質(zhì)[3, 4, 5]。

圖6

如 圖6所示，經(jīng)濕式蝕刻圖形化藍寶石基板，其表面因晶格特性，會(huì )被蝕刻出成57o傾斜的的{1-102}面(R Plane)，可以大大增加光的萃取效率。

圖7 傳統的LED和PPS LED的電流-輸出光功率曲線(xiàn)之關(guān)系圖[3, 4]

3、磊晶后藍寶石基板之蝕刻工藝

元件形狀化之覆晶LED是使用高溫磷酸來(lái)蝕刻藍寶石基板的側邊(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，并使基板背面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)，以此雙重方式來(lái)達到增加光萃取效果，其詳細工藝流程如圖8所示。首先在藍寶石基板上磊晶制作GaN之LED結構，再將藍寶石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后續芯片切割之進(jìn)行，接著(zhù)分別在元件上下面鍍上二氧化硅(SiO2)當作蝕刻保護層，使用黃光微影工藝來(lái)定義藍寶石基板被蝕刻的開(kāi)口位置。接著(zhù)將已設計圖案化之藍寶石基板浸入高溫300℃的磷酸與硫酸的混合液中，進(jìn)行藍寶石基板之側邊蝕刻，接者去除二氧化硅保護層。后續進(jìn)行透明導電膜(ITO)與金屬電極(Electrode)制作，并用覆晶(