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(yīng)用于交通號(hào)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(zhǎng)在藍(lán)寶石基板(Sapphire Substrate)上，由于磊晶GaN與底部藍(lán)寶石基板的晶格常數(shù)(Lattice Constant)及熱膨脹係數(shù)(Coefficient of Thermo Expansion; CTE)相差極大，所以會(huì)產(chǎn)生高密度線差排(Thread Dislocation)達(dá)108~1010 / cm2，此種高密度線差排則會(huì)限制了GaN LED的發(fā)光效率。

　　此外，在HB-LED結(jié)構(gòu)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(dǎo)體的高折射係數(shù)(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(qū)所發(fā)射的光線在到達(dá)半導(dǎo)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(nèi)反射(Total Internal Reflection)；對(duì)于高折射係數(shù)之半導(dǎo)體而言，其臨界角都非常小，當(dāng)折射係數(shù)為3.3時(shí)，其全內(nèi)反射角則只有17o，所以大部份從主動(dòng)區(qū)所發(fā)射的光線，將被局限(Trapped)于半導(dǎo)體內(nèi)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(duì)，會(huì)因基板品質(zhì)不良或效率較低，導(dǎo)致有較大機(jī)率產(chǎn)生非輻射復(fù)回(Recombine Non-Radiatively)，進(jìn)而降低LED效率。所以如何從半導(dǎo)體之主動(dòng)區(qū)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(biāo)。

　　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(lán)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(lán)寶石基板的側(cè)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(xiàn)[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(dá)到增加LED光提取效率之目的。

　　此外，針對(duì)LED生產(chǎn)線之高產(chǎn)能與高良率需求時(shí)，在工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作上必須考慮到哪些因數(shù)，亦將進(jìn)行詳細(xì)探討，以期達(dá)到增加LED光提取效率之目的。

圖1

如圖1所示，從主動(dòng)區(qū)所發(fā)射的光線在到達(dá)半導(dǎo)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(nèi)反射。

2、磊晶前藍(lán)寶石基板之蝕刻圖形化(PPS)工藝

藍(lán)寶石基板蝕刻圖形化(PPS)可以有效增加光的萃取效率，因?yàn)榻逵苫灞砻鎺缀螆D形之變化，可以改變LED的散射機(jī)制，或?qū)⑸⑸涔鈱?dǎo)引至LED內(nèi)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(lán)寶石(Sapphire)基板，雖然可以改善內(nèi)部量子效率(Internal Quantum Efficiency)和光萃取率(Light Extraction Efficiency)，然而由于藍(lán)寶石基板表面非常堅(jiān)硬，乾式蝕刻會(huì)損傷藍(lán)寶石表面，使得線差排(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(lán)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(lán)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(tǒng)在藍(lán)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(dāng)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(lán)寶石基板，以形成圖案化結(jié)構(gòu)。圖2為使用濕式化學(xué)蝕刻藍(lán)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(zhǎng)GaN-LED于蝕刻圖案化之藍(lán)寶石基板C(0001)面上，GaN-LED結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)域及電極。

F. 沉積ITO透明導(dǎo)電層，接著沉積Cr/Au金屬層，在200℃氮?dú)鈿夥障逻M(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(lán)寶石基板(PSS)，接著生長(zhǎng)GaN磊晶層的LED結(jié)構(gòu)圖。

圖2 濕式化學(xué)蝕刻藍(lán)寶石基板后(PSS)之橫截面示意圖

圖3、濕式化學(xué)蝕刻藍(lán)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(lán)寶石基板后，接著生長(zhǎng)GaN磊晶層的LED結(jié)構(gòu)

如圖6所示，經(jīng)濕式化學(xué)蝕刻圖形化之藍(lán)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(lán)寶石基板制作GaN LED并評(píng)估其效能，圖7為傳統(tǒng)LED和PPS LED的電流-輸出光功率曲線之關(guān)係圖，在20mA操作電壓下，傳統(tǒng)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(tǒng)LED的1.15~1.3倍。

此外，在20mA操作電壓下，傳統(tǒng)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(tǒng)LED高1.15倍。因此PPS技術(shù)不只利用藍(lán)寶石基板的特殊幾何結(jié)構(gòu)，將光導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(lán)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(tǒng)的LED和PPS LED的電流-輸出光功率曲線之關(guān)系圖[3, 4]

3、磊晶后藍(lán)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(lán)寶石基板的側(cè)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(dá)到增加光萃取效果，其詳細(xì)工藝流程如圖8所示。首先在藍(lán)寶石基板上磊晶制作GaN之LED結(jié)構(gòu)，再將藍(lán)寶石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后續(xù)芯片切割之進(jìn)行，接著分別在元件上下面鍍上二氧化硅(SiO2)當(dāng)作蝕刻保護(hù)層，使用黃光微影工藝來(lái)定義藍(lán)寶石基板被蝕刻的開(kāi)口位置。接著將已設(shè)計(jì)圖案化之藍(lán)寶石基板浸入高溫300℃的磷酸與硫酸的混合液中，進(jìn)行藍(lán)寶石基板之側(cè)邊蝕刻，接者去除二氧化硅保護(hù)層。后續(xù)進(jìn)行透明導(dǎo)電膜(ITO)與金屬電極(Electrode)制作，并用覆晶(