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(Flip Chip)设备将芯片黏着于硅基板上，制作完成之元件剖面，如图9所示[4, 6]。

        蓝宝石的蚀刻速率与磷酸和硫酸的比例，以及蚀刻液温度有关，由于蚀刻结果取决于其晶格结构，蚀刻会沿者蓝宝石的晶格面进行，至于蓝宝石基板的背面，因为其原本是一个粗糙面，所以无法在其表面镀上一层均匀的二氧化硅保护层，在进行蚀刻时，覆盖二氧化硅较薄区域的蓝宝石基板则会先被蚀刻，进而形成粗糙化的表面。在发光性能表现上，有制作元件形状化之覆晶LED比传统覆晶发光二极体的流明度增加了62%；在功率的表现上，于20mA的注入电流下，有形状化的LED输出光功率为14.2 mW，比传统覆晶结构LED的9.3 mW，增加了52%，如图10所示[4, 6]。

图8    元件形状化之覆晶LED工艺流程图

 

图9    具形状化之覆晶LED结构示意图

 

(a) 电流发光强度图

 

(b) 电流输出功率图

图10    有无形状化之覆晶LED的(a)电流发光强度与(b)电流输出功率比较图

　　此外，针对芯片后段工艺，在雷射切割芯片后之残留物问题，也可应用高温磷酸蚀刻技术来解决此问题，因为使用雷射切割LED芯片后，会将基材烧出一道痕跡，因此在芯片边缘会流下焦黑的切割痕跡，这种切割残留物会影响LED亮度达5~10%，如图11所示为雷射切割LED芯片后之SEM照片。对于现今HB-LED对于亮度錙銖必较之情形，亦有业界于雷射切割后，接着使用高温磷酸来进行蓝宝石基板的侧边蚀刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以去除雷射切割后的焦黑残留物，进而增进HB-LED的发光效率。

 

图11    雷射切割LED芯片后之SEM照片

　　4、高温磷酸湿式蚀刻工艺设备在制作上，必须考虑的设计项目

　　图12为弘塑科技(Grand Plastic Technology Corporation; GPTC)所制作之全自动化高温磷酸湿式蚀刻工艺设备，由于磷酸湿式蚀刻工艺设备是在280~300℃高温下进行，所以必须考虑加热方式，昇降温度之速率控制，因应石英槽体之热应力分析所设计的槽体机械结构，化学蚀刻液补充系统的补充精确度及设备自动化必须能够兼顾人员安全与环保设计等。系统在制作上有七大设计关键，分别详述如下：

　　I.    安全性设计：符合SEMI-S2, 200认证，人员与上下货区域作分离，可确保操作人员之工作安全，以及将反应废气充分抽离，维持空气之高洁净度。

　　II.    高产能设计：一次可上货达200片外延片，产能为一般设备的2.75倍。

　　III.    多槽体设计：具备多组磷酸槽，当1组磷酸槽作工艺蚀刻时，另外1组磷酸槽可同步进行化学品更换与加热，如此可防止因等待化学品更换或加热所造成的时间浪费。

　　IV.    加热与温度控制：在石英槽体外围镀上一层薄膜加热层，此种加热方式可以使得温度均匀分佈于整个槽体，防止因温度梯度所造成芯片的局部热应力，以及蚀刻速率之变异，目前高温磷酸湿式化学蚀刻蓝宝石基板的厚度可精确控制在1.9±0.1μm，蚀刻速率为每秒27.5 ± 0.5 A。

　　V.    昇降温度之速率控制：具备外延片蚀刻前之预先加热，以及蚀刻候之冷却设计，可避免外延片因急速昇降温度所产生的热冲击破片。

　　VI.    化学品供应系统：化学液之补充体积的精确度要高。

　　VII.    外延片自动传送系统：外延片传送可保证连续顺利传送达400 Runs，以确保制造上之良率。

 

图12、弘塑科技设计制作之高温磷酸湿式蚀刻自动化量产设备

　　5、 结论

　　本文已针对蓝宝石基板之高温磷酸湿式蚀刻工艺，以及其工艺设备在设计制作上必须考虑哪些因素，进行详细探讨。由于LED的石基板化学湿式蚀刻工艺，可藉由基板表面几何图形之变化，来改变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，所以成为增加LED光提取效率的有效技术。目前LED业界特别考虑到如何降低成本与增进产能，并且又要合乎环保与工业安全等需求，可以预见地具备操作自动化与工艺标准化之系统设备，将成为未来LED生产线量产之竞争主力。