磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺

磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺 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 所产生的光受到侷限(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，将被侷限(Trapped)于半导体内部，这种被侷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...