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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)高亮度發光二極體(High Brightness Light Emission Diode; HB-LED)深獲廣大重視，目前廣泛應用于交通號誌、LCD背光源及各種照明使用上。基本上，GaN LED是以磊晶(Epitaxial)方式生長在藍寶石基板(Sapphire Substrate)上，由于磊晶GaN與底部藍寶石基板的晶格常數(Lattice Constant)及熱膨脹係數(Coefficient of Thermo Expansion; CTE)相差極大，所以會產生高密度線差排(Thread Dislocation)達108~1010 / cm2，此種高密度線差排則會限制了GaN LED的發光效率。
此外，在HB-LED結構中，除了主動層(Active Region)及其他層會吸收光之外，另外必須注意的就是半導體的高折射係數(High Refractive Index)，這將使得LED所產生的光受到局限(Trapped Light)。以圖1來進行說明，從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時，如果光的入射角大于逃逸角錐(Escape Cone)之臨界角(Critical Angle;αc)時，則會產生全內反射(Total Internal Reflection)；對于高折射係數之半導體而言，其臨界角都非常小，當折射係數為3.3時，其全內反射角則只有17o，所以大部份從主動區所發射的光線，將被局限(Trapped)于半導體內部，這種被局限的光有可能會被較厚的基板所吸收。此外，由于基板之電子與電洞對，會因基板品質不良或效率較低，導致有較大機率產生非輻射復回(Recombine Non-Radiatively)，進而降低LED效率。所以如何從半導體之主動區萃取光源，以進而增加光萃取效率(Light Extraction Efficiency)，乃成為各LED制造商重要的努力目標。
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，進行藍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，進行藍寶石基板的側邊蝕刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以及基板背面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)。本文將參考相關文獻[1~6]，探討如何利用高溫磷酸濕式化學蝕刻技術，來達到增加LED光提取效率之目的。
此外，針對LED生產線之高產能與高良率需求時，在工藝系統設計制作上必須考慮到哪些因數，亦將進行詳細探討，以期達到增加LED光提取效率之目的。
如圖1所示，從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時，如果光的入射角大于臨界角(αc)時，則會產生全內反射。
2、磊晶前藍寶石基板之蝕刻圖形化(PPS)工藝
藍寶石基板蝕刻圖形化(PPS)可以有效增加光的萃取效率，因為藉由基板表面幾何圖形之變化，可以改變LED的散射機制，或將散射光導引至LED內部，進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(Maskless Dry Etching)來加工藍寶石(Sapphire)基板，雖然可以改善內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)和光萃取率(Light Extraction Efficiency)，然而由于藍寶石基板表面非常堅硬，乾式蝕刻會損傷藍寶石表面，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，所以一般都傾向使用濕式化學蝕刻方式。有關藍寶石基板之濕式化學蝕刻圖形化，以及LED之前段工藝流程