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采用湿式蚀刻工艺提高LED光提取效率分析

2010-09-20 16:31
苏子言岁月
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  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。

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