采用湿式蚀刻工艺提高LED光提取效率分析

　　1、 前言

　　近几年来III族氮化物(III-Nitride)高亮度发光二极体(High Brightness Light Emission Diode; HB-LED)深获广大重视，目前广泛应用于交通号誌、LCD背光源及各种照明使用上。基本上，GaN LED是以磊晶(Epitaxial)方式生长在蓝宝石基板(Sapphire Substrate)上，由于磊晶GaN与底部蓝宝石基板的晶格常数(Lattice Constant)及热膨胀係数(Coefficient of Thermo Expansion; CTE)相差极大，所以会产生高密度线差排(Thread Dislocation)达108~1010 / cm2，此种高密度线差排则会限制了GaN LED的发光效率。

　　此外，在HB-LED结构中，除了主动层(Active Region)及其他层会吸收光之外，另外必须注意的就是半导体的高折射係数(High Refractive Index)，这将使得LED所产生的光受到局限(Trapped Light)。以图1来进行说明，从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时，如果光的入射角大于逃逸角锥(Escape Cone)之临界角(Critical Angle;αc)时，则会产生全内反射(Total Internal Reflection)；对于高折射係数之半导体而言，其临界角都非常小，当折射係数为3.3时，其全内反射角则只有17o，所以大部份从主动区所发射的光线，将被局限(Trapped)于半导体内部，这种被局限的光有可能会被较厚的基板所吸收。此外，由于基板之电子与电洞对，会因基板品质不良或效率较低，导致有较大机率产生非辐射復回(Recombine Non-Radiatively)，进而降低LED效率。所以如何从半导体之主动区萃取光源，以进而增加光萃取效率(Light Extraction Efficiency)，乃成为各LED制造商最重要的努力目标。

　　目前有两种方法可增加LED光提取效率：

　　(1)第一种方法是在LED磊晶前，进行蓝宝石基板的蚀刻图形化(Pattern Sapphire Substrate; PSS)；

　　(2)第二种方法是在LED磊晶后，进行蓝宝石基板的侧边蚀刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以及基板背面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)。本文将参考相关文献[1~6]，探讨如何利用高温磷酸湿式化学蚀刻技术，来达到增加LED光提取效率之目的。

　　此外，针对LED生产线之高产能与高良率需求时，在工艺系统设计制作上必须考虑到哪些因数，亦将进行详细探讨，以期达到增加LED光提取效率之目的。

图1

如图1所示，从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时，如果光的入射角大于临界角(αc)时，则会产生全内反射。

2、磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺

蓝宝石基板蚀刻图形化(PPS)可以有效增加光的萃取效率，因为藉由基板表面几何图形之变化，可以改变LED的散射机制，或将散射光导引至LED内部，进而由逃逸角锥中穿出。目前使用单步骤无光罩乾式蚀刻技术(Maskless Dry Etching)来加工蓝宝石(Sapphire)基板，虽然可以改善内部量子效率(Internal Quantum Efficiency)和光萃取率(Light Extraction Efficiency)，然而由于蓝宝石基板表面非常坚硬，乾式蚀刻会损伤蓝宝石表面，使得线差排(Thread Dislocation)由基板逐渐延伸到顶端的GaN磊晶层，因而影响到LED之磊晶品质，所以一般都倾向使用湿式化学蚀刻方式。有关蓝宝石基板之湿式化学蚀刻图形化，以及LED之前段工艺流程，说明如下：

A. 首先利用黄光微影工艺在蓝宝石基板上制作出所需的图案。

B. 利用电浆辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PE-CVD)系统在蓝宝石基板上方沉积SiO2，进行光组去除后，即可形成间隔3μm的阵列图案。

C. 利用SiO2当作蚀刻遮罩层，在温度280℃的高温磷酸与硫酸混合液中蚀刻蓝宝石基板，以形成图案化结构。图2为使用湿式化学蚀刻蓝宝石基板(PSS)后之横截面示意图；图3为光学显微镜照片。

D. 使用MOCVD生长GaN-LED于蚀刻图案化之蓝宝石基板C(0001)面上，GaN-LED结构由下而上，包括：GaN成核层、未掺杂的GaN层、硅掺杂的N-type GaN层、MQW层及P-type GaN层。

E. 使用标准微影技术及乾式蚀刻来蚀刻部份的P-type GaN层，以露出N-type GaN层，进而定义发光区域及电极。

F. 沉积ITO透明导电层，接着沉积Cr/Au金属层，在200℃氮气气氛下进行合金化，以制作P电极与N电极。图4为GaN LED之前段工艺流程图；图5为经过化学湿式蚀刻图形化蓝宝石基板(PSS)，接着生长GaN磊晶层的LED结构图。

图2 湿式化学蚀刻蓝宝石基板后(PSS)之横截面示意图

图3、湿式化学蚀刻蓝宝石基板后(PSS)之光学显微镜照片。

图4 GaN LED前段工艺流程图

图5 湿式蚀刻图形化蓝宝石基板后，接着生长GaN磊晶层的LED结构

如图6所示，经湿式化学蚀刻图形化之蓝宝石基板，基于表面晶格特性，所以会被蚀刻出呈57o倾斜的{1-102}R面(R Plane)，此种倾斜R面可以大大地增加光的萃取效率。Lee等人利用湿式蚀刻图形化蓝宝石基板制作GaN LED并评估其效能，图7为传统LED和PPS LED的电流-输出光功率曲线之关係图，在20mA操作电压下，传统LED和PPS LED的输出功率分别为7.8和9 mW，PPS LED的输出功率为传统LED的1.15~1.3倍。

此外，在20mA操作电压下，传统LED和PPS LED的外部量子效率(External Quantum Efficiency)分别为14.2%和16.4%，PPS LED的外部量子效率也较传统LED高1.15倍。因此PPS技术不只利用蓝宝石基板的特殊几何结构，将光导引至逃逸角锥(Escape Cone)进而发射出去，以增加LED的外部量子效率外，湿式蚀刻PPS结构也可降低Sapphire基板之差排缺陷密度，以进而提高GaN的磊晶品质[3, 4, 5]。

图6

如 图6所示，经湿式蚀刻图形化蓝宝石基板，其表面因晶格特性，会被蚀刻出成57o倾斜的的{1-102}面(R Plane)，可以大大增加光的萃取效率。

图7 传统的LED和PPS LED的电流-输出光功率曲线之关系图[3, 4]

3、磊晶后蓝宝石基板之蚀刻工艺

元件形状化之覆晶LED是使用高温磷酸来蚀刻蓝宝石基板的侧边(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，并使基板背面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)，以此双重方式来达到增加光萃取效果，其详细工艺流程如图8所示。首先在蓝宝石基板上磊晶制作GaN之LED结构，再将蓝宝石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后续芯片切割之进行，接着分别在元件上下面镀上二氧化硅(SiO2)当作蚀刻保护层，使用黄光微影工艺来定义蓝宝石基板被蚀刻的开口位置。接着将已设计图案化之蓝宝石基板浸入高温300℃的磷酸与硫酸的混合液中，进行蓝宝石基板之侧边蚀刻，接者去除二氧化硅保护层。后续进行透明导电膜(ITO)与金属电极(Electrode)制作，并用覆晶(