圖案化基板如何提高LED光提取效率？

圖案化基板，簡稱PSS(Patterned Sapphire Substrate)，俗稱圖形化襯底，也就是在藍寶石襯底上生長干法刻蝕用掩膜，用標準的光刻工藝將掩膜刻出圖形，利用ICP刻蝕技術刻蝕藍寶石，并去掉掩膜，再在其上生長GaN材料，使GaN材料的縱向外延變?yōu)闄M向外延，蝕刻(在藍寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式，在藍寶石基板上設計制作出微米級或納米級的具有微結構特定規(guī)則的圖案，藉以控制  之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的出率)，同時GaN薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產(chǎn)生橫向磊晶的效果，減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長于一般藍寶石基板的LED相比，PSS能使亮度增加70%以上。 　　DONGGEUNKO，JACOBYOON，JANGHOSEO描述了如何通過圖案化晶片來減少缺陷密度和全反射損失，從而提高LED 光提取效率。 　　生產(chǎn)商們迅速采用以氮化物半導體為基礎的LED作為標準光源，應用在更多產(chǎn)品上，從普通照明，車前燈，交通照明到背景照明的消費類電子產(chǎn)品，如HDTVs，智能機，平板電腦以及大小顯示屏。LED的性能和成本使LED技術得以廣泛應用。實際上，低成本和高光效才能推動消費者市場的接受。LED芯片生產(chǎn)商正在尋找圖案化藍寶石基板生產(chǎn)技術，最大化光提取效率，從而推廣LED的使用。 　　將圖案化應用在LED基板或晶片上能從兩個方面提高光輸出。這種技術可以通過降低外延缺陷密度來提高活性量子阱層的光出射。而且，圖案化藍寶石基板能通過光子散射效應來降低由于全反射引起的光損失。 　　研究人員在藍寶石基板表面設計了不同的形狀和尺寸的周期性變化結構的圖案，包括圓錐，圓頂，金字塔，柱狀結構等。這樣的藍寶石基板就稱為圖案化藍寶石基板。 　　行業(yè)內(nèi)目前有兩種方法來生產(chǎn)圖案化藍寶石基板：干法等離子蝕刻和濕法化學蝕刻，但絕大部分的圖案化藍寶石基板的生產(chǎn)都是使用干法等離子蝕刻技術。相比濕法化學刻蝕，干法等例子刻蝕的準確性和統(tǒng)一性更容易控制。本文所討論的圖案化藍寶石基板制造將主要關注使用電感耦合等離子體干法反應性腐蝕。 　　通過與多家世界上最先進的LED生產(chǎn)商合作100-mm和150-mm的圖案化藍寶石基板，Rubicon有機會了解到有效圖案化藍寶石基板的范圍要求。最關鍵的要求是圖案尺寸，形狀，縱橫比（如，圖案的長寬比），晶片的均勻度以及晶片與晶片間的一致性。 　　因為LED行業(yè)的外延工藝的高定制化，我們無法得到圖案化藍寶石基板的最優(yōu)方案。圖案的設計千變?nèi)f化，并且在未來圖案化藍寶石基板的設計也不會有趨同現(xiàn)象。典型的圖案形狀包括圓錐，圓頂，四方錐或者三方錐。即使學術研究表明，圖案尺寸（100-1000nm）越小，光效越好，但LED行業(yè)仍以3-4μm的圖案為主。 　　影響關鍵特性的工藝參數(shù)有尺寸的精準性、光致抗蝕劑掩膜的統(tǒng)一性、藍寶石刻蝕對光致抗蝕劑掩膜的選擇性、射頻功率，電感耦合等離子體工藝壓力，射頻線圈設計等離子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及襯底溫度。 　　提高光提取率 　　低光提取率對于生產(chǎn)高亮度LED是一個很大的挑戰(zhàn)。圖案化的藍寶石襯底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎內(nèi)（如圖1a），進而提高光提取效率。這樣的效果相當于提高了光子溢出的臨界角（如圖1b）。研究發(fā)現(xiàn)通過這一手段可以將光提取效率最高提高30%。 　　圖1:圖案化藍寶石襯底散射光子（a）并且有效的擴大逸逃錐（b），這樣可做多提高30%的光提取率。 　　光子通過電子空穴復合從活化量子阱層釋放出來，從而從LED 芯片射向空間。 　　最理想的情況便是所有從活性量子阱釋放的光子全部被提取作為LED的光輸出，但事實上大部分的光子由于各種因素而無法從LED芯片中射出。 　　對于理想的光提取效率的一個關鍵阻礙就是由氮化鎵的高折射率與自由空間的折射率（大約是2.5:1）所導致的全反射。大量從活性層生成的光子被反射到芯片內(nèi)并且被禁錮在芯片內(nèi)而無法射出，最終以熱能被消耗。只有那些被射入到由全反射臨界角所定義的光逸出椎內(nèi)的光子才能射出LED芯片，在椎外的光子則被禁錮在LED芯片內(nèi)。 　　更有效的光轉換 　　從熱能，機械能和化學特性來看，藍寶石是非常不錯的一個作為III/V氮化物外延生長的襯底材料。但是藍寶石不僅僅與III/V氮化物有不同的晶體結構，并且與氮化物有大約15%的晶格失配。因而氮化物外延層會自然產(chǎn)生大約在108-1010每平方厘米的失配位錯（失配位錯是用來表明晶體膜品質(zhì)退化程度的外延層的線性缺陷）。這種缺陷一般通過在光學顯微鏡下蝕坑密度或者在X射線下的FWHM賴表征。 　　圖案化藍寶石襯底通過減少失配位錯來提高氮化物的外延生長，而這種失配位錯的減少是由圖案化藍寶石襯底提高了側向增長，即與襯底表面的平行增長。失配位錯一般通過傳統(tǒng)的平面藍寶石襯底或圖案化藍寶石 　　襯底在最初的外延生長晶核階段發(fā)生。很多研究者用透射式電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)通過提高圖案化藍寶石襯底外延生長的側向構成可以減少失配位錯。 　　因為電子和空穴（的復合）在錯位線發(fā)生非輻射復合，失配位錯在活化層的減少是提高光轉換效率（也被稱為內(nèi)量子效率）的其中一個最重要的因素。一般的，通過提高外延量子阱的質(zhì)量，圖案化藍寶石襯底可以提高大約30%的內(nèi)量子效率。當然，圖案的尺寸、形狀、質(zhì)量以及與各種圖案設計相匹配的外延生長性能的優(yōu)化都對圖案化藍寶石襯底對于提高內(nèi)量子效率有很大的影響。 　　有效的圖案化藍寶石沉底的設計 　　在圖案化藍寶石襯底的設計中，我們需要考慮兩個關鍵點來優(yōu)化LED芯片的光輸出。第一種是如何最大化側邊生長，從而更有效的抑制外延增長中的失配位錯；第二種是如何獲得最大化散射效應來提高光提取。 　　圖2：圖案面積與總基板面積之比是通過陰影面積或者灰色面積與六邊形面積之比來計算的（a），并且縱橫比指的是圖案結構的高與寬之比（b）。 　　圖案面積與總面積之比和縱橫比是圖案化藍寶石襯底設計中提高與襯底平面平行的側向外延生長的兩個關鍵點（如圖2所示）。相對于總面積，越高的圖案面積率越能再外延生長過程中增加側邊構成從而減少失配位錯密度。這樣的效果可以通過透射電子顯微鏡或者通過x射線搖擺區(qū)顯分析中的FWHM降低觀察到。 　　現(xiàn)階段研究表明，較高的縱橫比能夠提高外延生長的的側向構成，當然這一結論還需進一步論證?，F(xiàn)在的更寬更高的發(fā)展趨勢或許并非偶然，而是與這些設計規(guī)則有關。除此以外，圖案的形狀以及密度都是回影響側向生長的設計因素。 　　對于通過散射效應提高光提取率，圖案形狀、縱橫比以及圖案密度都是被LED設計師考慮的主要因素。然而，本文將著重討論圖案密度?！　D案陣列幾何形狀和圖案間距都應在控制圖案密度過程中予以考慮。即使圖案能設計成不同的幾何形狀，但六角形排列因其緊密排列，是唯一一個普遍應用的幾何圖形。然而，通過縮短圖案的周期距離能夠進一步提高排列密度。眾多研究人員都在致力于研究納米級圖案化的潛能，這些研究不僅僅關注由提高排列密度所提高的光提取效率，還關注通過外延質(zhì)量提高所引起的內(nèi)量子效率的提高。 　　許多研究者都已報道了在納米圖案化襯底上實現(xiàn)LED光效提高的重大突破。這些突破不僅僅優(yōu)于傳統(tǒng)平面襯底，，而且優(yōu)于微米圖案化襯底。但是，納米級圖案化藍寶石襯底因其高度專屬定制需求至今還沒在LED行業(yè)內(nèi)得到應用。 　　通常，納米級圖案化藍寶石襯底是通過在藍寶石襯底上絲印或者高分辨率光學曝光，然后再通過電感耦合等離子體刻蝕術制作而成的。而高分辨率光學曝光要求襯底具有高度的平整性，這對現(xiàn)今的藍寶石襯底供應商是一個很大的挑戰(zhàn)。正如上文所提到的，LED行業(yè)就各種圖案化藍寶石襯底對LED性能的影響正在逐步達成共識。但是這些共識因LED芯片商們不愿共享敏感的專利信息而受到局限。 　　關鍵工藝參數(shù) 　　我們已經(jīng)就圖案化籃寶石襯底的設計參數(shù)對LED性能的影響進行了許多討論。其中高度、寬度，間距（圖案間的周期距離）以及形狀最為重要。另外，這些單個晶圓和不同晶圓間邊沿參數(shù)的一致性在LED芯片流水線和精益生產(chǎn)方面都非常重要。 　　圖3：圖案化藍寶石基板通過光致抗蝕劑掩膜在電感耦合等離子體干法反應性腐蝕保持良好剛性結構（如圖a），然而，如果光致抗蝕劑掩膜的剛性結構在抗蝕過程中沒有得到保持，那么結果會很差（如圖b）。 　　藍寶石上的周期化圖案是由圖案化光致蝕刻掩膜在電感耦合等離子體干式反應性蝕刻中實現(xiàn)的。在光致蝕刻掩膜中創(chuàng)建準確而均勻的高精度結構是取得成功的第一步。在后續(xù)的步驟中，保持光致蝕刻掩膜在電感耦合等離子體干式蝕刻生產(chǎn)過程中的結構完整性同樣重要。這種結構剛性可以在電感耦合等離子體干式蝕刻生產(chǎn)過程中通過硬化抗蝕劑或者冷卻襯底來實現(xiàn)。如圖3所示，如果在蝕刻過程中抗蝕劑結構的完整精確性沒有得到很好保持，圖案化藍寶石基板質(zhì)量將嚴重損害。 　　圖4.圖案化藍寶石基板結構可以發(fā)生變化。例如，1.3微米高，2.5微米寬的晶片（a）到1.9微米高，2.6微米寬的晶片(b)。 　　電感耦合等離子體干式蝕刻中對圖案化藍寶石輪廓特征至關重要的其他關鍵因素有藍寶石蝕刻對于光致抗蝕劑掩膜的選擇性，射頻功率，電感耦合等離子體操作的壓力，等離子一致性射頻線圈的設計，等離子體化學和襯底溫度的控制。成功實現(xiàn)適合目標應用的最有效圖案化藍寶石襯底是由所有的這些參數(shù)如何智能細致地結合和實施來決定的。如圖4顯示，這些參數(shù)的不同組合對圖案設計影響之大。 　　當今圖案化藍寶石基板市場趨勢 　　直到現(xiàn)在，圖案化藍寶石襯底市場主要由LED芯片制造商主導。他們或者自己生產(chǎn)圖案化藍寶石襯底，或者外包給其他合同制造商。這種情況已經(jīng)逐步發(fā)生改變，圖案化藍寶石襯底的主導地位已經(jīng)逐步從LED芯片制造商轉向藍寶石襯底制造商。 　　現(xiàn)今，藍寶石晶片制造商已經(jīng)開始跟LED芯片制造商合作將藍寶石襯底圖案化。然而，大部分藍寶石生產(chǎn)商專注于2~4英寸小直徑圖案。只有很少部分廠家開始引進6英寸產(chǎn)品。在2013年，Rubicon科技發(fā)起4英寸，6英寸和8英寸大直徑圖案化藍寶石襯底產(chǎn)品，用更好的質(zhì)量控制和垂直整合以區(qū)別于行業(yè)內(nèi)的其他生產(chǎn)商。