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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

发布时间:2020-07-21 17:42:50 阅读: 来源:球磨机厂家

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。

本文引用地址: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。

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*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系图,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1*%,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].电容式触摸屏相关文章:电容式触摸屏原理

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