利用湿式蚀刻工艺提高LED光萃取效率之产能与良率的方法

文章摘要： 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志、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）及热膨胀系数（Coefficient of Thermo Expansion; CTE）相差极大，所以会产生高密度线差排（Thread Dislocation）达108~10

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     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志、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）及热膨胀系数（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系数（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）；对于高折射系数之半导体而言，其临界角都非常小，当折射系数为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复回（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光之萃取效率：（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光萃取效率之目的。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光萃取效率之目的。

图1、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。

　　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MO-CVD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。

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