湿式蚀刻制程提高led光萃取效率之产能与良率

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1、濕式蝕刻製程提高LED光萃取效率之產能與良率1、前言近幾年來III族氮化物(III-Nitride)高亮度發光二極體(HighBrightnessLightEmissionDiode;HB-LED)深獲廣大重視，目前廣泛應用於交通號誌、LCD背光源及各種照明使用上。基本上，GaNLED是以磊晶(Epitaxial)方式生長在藍寶石基板(SapphireSubstrate)上，由於磊晶GaN與底部藍寶石基板的晶格常數(LatticeConstant)及熱膨脹係數(CoefficientofThermoExpansion;CTE)相差極大，

2、所以會產生高密度線差排(ThreadDislocation)達108~1010/cm2，此種高密度線差排則會限制了GaNLED的發光效率。此外，在HB-LED結構中，除了主動層(ActiveRegion)及其他層會吸收光之外，另外必須注意的就是半導體的高折射係數(HighRefractiveIndex)，這將使得LED所產生的光受到侷限(TrappedLight)。以圖1來進行說明，從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時，如果光的入射角大於逃逸角錐(EscapeCone)之臨界角(CriticalAngle;αc)時，則會產

3、生全內反射(TotalInternalReflection)；對於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，其全內反射角則只有17o，所以大部份從主動區所發射的光線，將被侷限(Trapped)於半導體內部，這種被侷限的光有可能會被較厚的基板所吸收。此外，由於基板之電子與電洞對，會因基板品質不良或效率較低，導致有較大機率產生非輻射復回(RecombineNon-Radiatively)，進而降低LED效率。所以如何從半導體之主動區萃取光源，以進而增加光萃取效率(LightExtractionEfficiency)，乃

4、成為各LED製造商最重要的努力目標。目前有兩種方法可增加LED光之萃取效率：(1)第一種方法是在LED磊晶前，進行藍寶石基板的蝕刻圖形化(PatternSapphireSubstrate;PSS)；(2)第二種方法是在LED磊晶後，進行藍寶石基板的側邊蝕刻(SapphireSidewallEtching;SSE)，以及基板背面粗糙化(SapphireBacksideRoughing;SBR)。本文將參考相關文獻[1~6]，探討如何利用高溫磷酸濕式化學蝕刻技術，來達到增加LED光萃取效率之目的。此外，針對LED生產線之高產能與高良率需求時

5、，在製程系統設計製作上必須考慮到哪些因數，亦將進行詳細探討，以期達到增加LED光萃取效率之目的。圖1、從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時，如果光的入射角大於臨界角(αc)時，則會產生全內反射。2、磊晶前藍寶石基板之蝕刻圖形化(PPS)製程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，進而由逃逸角錐中穿出。目前使用單步驟無光罩乾式蝕刻技術(MasklessDryEtching)來加工藍寶石(Sapphire)基板，雖然可以改善內

6、部量子效率(InternalQuantumEfficiency)和光萃取率(LightExtractionEfficiency)，然而由於藍寶石基板表面非常堅硬，乾式蝕刻會損傷藍寶石表面，使得線差排(ThreadDislocation)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，所以一般都傾向使用濕式化學蝕刻方式。有關藍寶石基板之濕式化學蝕刻圖形化，以及LED之前段製程流程，說明如下：A.   首先利用黃光微影製程在藍寶石基板上製作出所需的圖案。B.   利用電漿輔助化學氣相沉積(PlasmaEnhancedChem

7、icalVaporDeposition;PE-CVD)系統在藍寶石基板上方沉積SiO2，進行光組去除後，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為使用濕式化學蝕刻藍寶石基板(PSS)後之橫截面示意圖；圖3為光學顯微鏡照片。D.   使用MO-CVD生長GaN-LED於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、未掺雜的GaN層、矽掺雜的N-typeGaN層、MQW層及P-typeGaN層。

8、E.   使用標準微影技術及乾式蝕刻來蝕刻部份的P-typeGaN層，以露出N-typeGaN層，進而定義發光區域及電極。F.   沉積ITO透明導電層，接著沉積Cr/Au金屬層，在200℃氮氣氣氛下進行合