图案化基板如何提高LED光提取效率？

图案化基板，简称PSS(Patterned Sapphire Substrate)，俗称图形化衬底，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延，蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式，在蓝宝石基板上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案，藉以控制  之输出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的出率)，同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果，减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝石基板的LED相比，PSS能使亮度增加70%以上。 　　DONGGEUNKO，JACOBYOON，JANGHOSEO描述了如何通过图案化晶片来减少缺陷密度和全反射损失，从而提高LED 光提取效率。 　　生产商们迅速采用以氮化物半导体为基础的LED作为标准光源，应用在更多产品上，从普通照明，车前灯，交通照明到背景照明的消费类电子产品，如HDTVs，智能机，平板电脑以及大小显示屏。LED的性能和成本使LED技术得以广泛应用。实际上，低成本和高光效才能推动消费者市场的接受。LED芯片生产商正在寻找图案化蓝宝石基板生产技术，最大化光提取效率，从而推广LED的使用。 　　将图案化应用在LED基板或晶片上能从两个方面提高光输出。这种技术可以通过降低外延缺陷密度来提高活性量子阱层的光出射。而且，图案化蓝宝石基板能通过光子散射效应来降低由于全反射引起的光损失。 　　研究人员在蓝宝石基板表面设计了不同的形状和尺寸的周期性变化结构的图案，包括圆锥，圆顶，金字塔，柱状结构等。这样的蓝宝石基板就称为图案化蓝宝石基板。 　　行业内目前有两种方法来生产图案化蓝宝石基板：干法等离子蚀刻和湿法化学蚀刻，但绝大部分的图案化蓝宝石基板的生产都是使用干法等离子蚀刻技术。相比湿法化学刻蚀，干法等例子刻蚀的准确性和统一性更容易控制。本文所讨论的图案化蓝宝石基板制造将主要关注使用电感耦合等离子体干法反应性腐蚀。 　　通过与多家世界上最先进的LED生产商合作100-mm和150-mm的图案化蓝宝石基板，Rubicon有机会了解到有效图案化蓝宝石基板的范围要求。最关键的要求是图案尺寸，形状，纵横比（如，图案的长宽比），晶片的均匀度以及晶片与晶片间的一致性。 　　因为LED行业的外延工艺的高定制化，我们无法得到图案化蓝宝石基板的最优方案。图案的设计千变万化，并且在未来图案化蓝宝石基板的设计也不会有趋同现象。典型的图案形状包括圆锥，圆顶，四方锥或者三方锥。即使学术研究表明，图案尺寸（100-1000nm）越小，光效越好，但LED行业仍以3-4μm的图案为主。 　　影响关键特性的工艺参数有尺寸的精准性、光致抗蚀剂掩膜的统一性、蓝宝石刻蚀对光致抗蚀剂掩膜的选择性、射频功率，电感耦合等离子体工艺压力，射频线圈设计等离子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及衬底温度。 　　提高光提取率 　　低光提取率对于生产高亮度LED是一个很大的挑战。图案化的蓝宝石衬底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎内（如图1a），进而提高光提取效率。这样的效果相当于提高了光子溢出的临界角（如图1b）。研究发现通过这一手段可以将光提取效率最高提高30%。 　　图1:图案化蓝宝石衬底散射光子（a）并且有效的扩大逸逃锥（b），这样可做多提高30%的光提取率。 　　光子通过电子空穴复合从活化量子阱层释放出来，从而从LED 芯片射向空间。 　　最理想的情况便是所有从活性量子阱释放的光子全部被提取作为LED的光输出，但事实上大部分的光子由于各种因素而无法从LED芯片中射出。 　　对于理想的光提取效率的一个关键阻碍就是由氮化镓的高折射率与自由空间的折射率（大约是2.5:1）所导致的全反射。大量从活性层生成的光子被反射到芯片内并且被禁锢在芯片内而无法射出，最终以热能被消耗。只有那些被射入到由全反射临界角所定义的光逸出椎内的光子才能射出LED芯片，在椎外的光子则被禁锢在LED芯片内。 　　更有效的光转换 　　从热能，机械能和化学特性来看，蓝宝石是非常不错的一个作为III/V氮化物外延生长的衬底材料。但是蓝宝石不仅仅与III/V氮化物有不同的晶体结构，并且与氮化物有大约15%的晶格失配。因而氮化物外延层会自然产生大约在108-1010每平方厘米的失配位错（失配位错是用来表明晶体膜品质退化程度的外延层的线性缺陷）。这种缺陷一般通过在光学显微镜下蚀坑密度或者在X射线下的FWHM赖表征。 　　图案化蓝宝石衬底通过减少失配位错来提高氮化物的外延生长，而这种失配位错的减少是由图案化蓝宝石衬底提高了侧向增长，即与衬底表面的平行增长。失配位错一般通过传统的平面蓝宝石衬底或图案化蓝宝石 　　衬底在最初的外延生长晶核阶段发生。很多研究者用透射式电子显微镜发现通过提高图案化蓝宝石衬底外延生长的侧向构成可以减少失配位错。 　　因为电子和空穴（的复合）在错位线发生非辐射复合，失配位错在活化层的减少是提高光转换效率（也被称为内量子效率）的其中一个最重要的因素。一般的，通过提高外延量子阱的质量，图案化蓝宝石衬底可以提高大约30%的内量子效率。当然，图案的尺寸、形状、质量以及与各种图案设计相匹配的外延生长性能的优化都对图案化蓝宝石衬底对于提高内量子效率有很大的影响。 　　有效的图案化蓝宝石沉底的设计 　　在图案化蓝宝石衬底的设计中，我们需要考虑两个关键点来优化LED芯片的光输出。第一种是如何最大化侧边生长，从而更有效的抑制外延增长中的失配位错；第二种是如何获得最大化散射效应来提高光提取。 　　图2：图案面积与总基板面积之比是通过阴影面积或者灰色面积与六边形面积之比来计算的（a），并且纵横比指的是图案结构的高与宽之比（b）。 　　图案面积与总面积之比和纵横比是图案化蓝宝石衬底设计中提高与衬底平面平行的侧向外延生长的两个关键点（如图2所示）。相对于总面积，越高的图案面积率越能再外延生长过程中增加侧边构成从而减少失配位错密度。这样的效果可以通过透射电子显微镜或者通过x射线摇摆区显分析中的FWHM降低观察到。 　　现阶段研究表明，较高的纵横比能够提高外延生长的的侧向构成，当然这一结论还需进一步论证。现在的更宽更高的发展趋势或许并非偶然，而是与这些设计规则有关。除此以外，图案的形状以及密度都是回影响侧向生长的设计因素。 　　对于通过散射效应提高光提取率，图案形状、纵横比以及图案密度都是被LED设计师考虑的主要因素。然而，本文将着重讨论图案密度。　　图案阵列几何形状和图案间距都应在控制图案密度过程中予以考虑。即使图案能设计成不同的几何形状，但六角形排列因其紧密排列，是唯一一个普遍应用的几何图形。然而，通过缩短图案的周期距离能够进一步提高排列密度。众多研究人员都在致力于研究纳米级图案化的潜能，这些研究不仅仅关注由提高排列密度所提高的光提取效率，还关注通过外延质量提高所引起的内量子效率的提高。 　　许多研究者都已报道了在纳米图案化衬底上实现LED光效提高的重大突破。这些突破不仅仅优于传统平面衬底，，而且优于微米图案化衬底。但是，纳米级图案化蓝宝石衬底因其高度专属定制需求至今还没在LED行业内得到应用。 　　通常，纳米级图案化蓝宝石衬底是通过在蓝宝石衬底上丝印或者高分辨率光学曝光，然后再通过电感耦合等离子体刻蚀术制作而成的。而高分辨率光学曝光要求衬底具有高度的平整性，这对现今的蓝宝石衬底供应商是一个很大的挑战。正如上文所提到的，LED行业就各种图案化蓝宝石衬底对LED性能的影响正在逐步达成共识。但是这些共识因LED芯片商们不愿共享敏感的专利信息而受到局限。 　　关键工艺参数 　　我们已经就图案化篮宝石衬底的设计参数对LED性能的影响进行了许多讨论。其中高度、宽度，间距（图案间的周期距离）以及形状最为重要。另外，这些单个晶圆和不同晶圆间边沿参数的一致性在LED芯片流水线和精益生产方面都非常重要。 　　图3：图案化蓝宝石基板通过光致抗蚀剂掩膜在电感耦合等离子体干法反应性腐蚀保持良好刚性结构（如图a），然而，如果光致抗蚀剂掩膜的刚性结构在抗蚀过程中没有得到保持，那么结果会很差（如图b）。 　　蓝宝石上的周期化图案是由图案化光致蚀刻掩膜在电感耦合等离子体干式反应性蚀刻中实现的。在光致蚀刻掩膜中创建准确而均匀的高精度结构是取得成功的第一步。在后续的步骤中，保持光致蚀刻掩膜在电感耦合等离子体干式蚀刻生产过程中的结构完整性同样重要。这种结构刚性可以在电感耦合等离子体干式蚀刻生产过程中通过硬化抗蚀剂或者冷却衬底来实现。如图3所示，如果在蚀刻过程中抗蚀剂结构的完整精确性没有得到很好保持，图案化蓝宝石基板质量将严重损害。 　　图4.图案化蓝宝石基板结构可以发生变化。例如，1.3微米高，2.5微米宽的晶片（a）到1.9微米高，2.6微米宽的晶片(b)。 　　电感耦合等离子体干式蚀刻中对图案化蓝宝石轮廓特征至关重要的其他关键因素有蓝宝石蚀刻对于光致抗蚀剂掩膜的选择性，射频功率，电感耦合等离子体操作的压力，等离子一致性射频线圈的设计，等离子体化学和衬底温度的控制。成功实现适合目标应用的最有效图案化蓝宝石衬底是由所有的这些参数如何智能细致地结合和实施来决定的。如图4显示，这些参数的不同组合对图案设计影响之大。 　　当今图案化蓝宝石基板市场趋势 　　直到现在，图案化蓝宝石衬底市场主要由LED芯片制造商主导。他们或者自己生产图案化蓝宝石衬底，或者外包给其他合同制造商。这种情况已经逐步发生改变，图案化蓝宝石衬底的主导地位已经逐步从LED芯片制造商转向蓝宝石衬底制造商。 　　现今，蓝宝石晶片制造商已经开始跟LED芯片制造商合作将蓝宝石衬底图案化。然而，大部分蓝宝石生产商专注于2~4英寸小直径图案。只有很少部分厂家开始引进6英寸产品。在2013年，Rubicon科技发起4英寸，6英寸和8英寸大直径图案化蓝宝石衬底产品，用更好的质量控制和垂直整合以区别于行业内的其他生产商。