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采用濕式蝕刻工藝提高LED光提取效率分析
近幾年來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來進(jìn)行說明，從主動(dòng)區(qū)所發(fā)射的光線在到達(dá)半導(dǎo)體與周圍空氣之界面時(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)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。
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)體與周圍空氣之界面時(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。目前使用單步驟無光罩乾式蝕刻技術(shù)(Maskless Dry Etching)來加工藍(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