圖案化藍寶石基板

使用圖案化藍寶石基板需執行一次成長所需的磊晶結構，而側向

圖 2-29 藍寶石的結構圖 實心為 Al 空心為 O[26]

圖 2-30 乾式蝕刻的圖案化藍寶石基板[17]

接著用 MOCVD 成長氮化鎵：

(a)先在基板成長一層薄薄的氮化鎵。

(b)經時間慢慢成長，在洞口旁的氮化鎵會先以側向成長過來。

氣泡產生。

(d)最後再成長成一完整平滑地氮化鎵薄膜。

圖 2-31 PSS 之磊晶成長各階段圖[17]

圖 2-32 為 TEM 截面圖(a)是沒有圖案化的藍寶石基板，有很多差 排從氮化鎵與基板的介面產生；(b)則有圖案化的藍寶石基板，可以 明顯看到差排變少。利用側向磊晶成長出來的區域及此區域上方，差 排大幅減少。而差排會因側向成長而彎了 90°，同原本垂直基板的方

圖 2-32 TEM 截面圖[26]

圖案化藍寶石基板還可在跟側向磊晶成長技術結合，在圖案基板 磊晶完成後，先用 CVD 長一層 SiO²做 mask，再次磊晶成長，進一步 地使差排密度降低。圖 2-33 為 ELOG PSS 的 TEM 與示意圖。圖 2-34

EPD)最低，跟單使用圖案化基板的試片有著近三百倍的差距，與傳統 的基板相比，差距更大，約三千倍。

圖 2-33 ELOG PSS 示意圖[27]

三、 實驗方法

3.1 圖案化藍寶石基板(Patterned sapphire subatrte) 的製作

先 利 用 電 漿 輔 助 化 學 氣 相 沈 積 (PECVD) ， 在 厚 度 430 μ m c-plane(0001)的藍寶石基板上沉積 1000A 的氧化層，經黃光製程在 其上作出圖案。再以氧化物蝕刻緩衝液(BOE, Buffer oxidation etchant)蝕刻出光罩。而蝕刻溶液加熱到 270℃後，再把藍寶石基板 放入蝕刻，蝕刻時間約 8 分鐘，可得蝕刻深度約 1.2μm 的一次蝕刻 的圖案化藍寶石基板。再經過一次蝕刻，約 2~6 分鐘，得到二次蝕刻 的圖案化藍寶石基板。最後 OM、AFM、Confocal microscopy 分析表 面形貌。 區內的直徑(Diameter)和間距(Spacing)分別為 2μm、 2.5μm、 3

μm、 3.5μm、4μm、6μm。剩下的兩區都沒有圖案，只是當在蝕刻 multiple quantum well、50nm AlGa:Mg、700nm GaN:Mg，長完LED 結構後先用乾式蝕刻(ICP)蝕刻出n-pad的位置，然後於p-GaN沉積ITO 構內差排分布。最後在量測LED的Iv(Intensity)與Output power。

圖 3-1 圖案化藍寶石基板製作流程圖

PR Mask

Sapphire

Sapphire Sapphire

PECVD

圖 3-2 光罩圖案設計

圖 3-3 光罩 layout

2

2.5

3

4 3.5

6

NP

Ref.

spacing diameter

圖 3-4 LED 結構圖

圖 3-6 LED 原件製作流程

ICP etching MOCVD epi.

ITO dep. Cr/Au

四、 結果與討論

圖 4-1 三種蝕刻溶液在各溫度的蝕刻速率[28]

從圖 4-1 可以很清楚得知用混合溶液有較大的蝕刻速率最高，純磷酸 次之，純硫酸則沒有蝕刻的效果。而圖 4-2 是改變混合容易的配比對 蝕刻速率的影響，隨著硫酸比例的增加，到達 75%時有最快的蝕刻速 率。本研究的混合溶液配比就是使用這個配方，磷酸：硫酸＝1：3。

圖 4-2 在 280℃蝕刻溶液配比改變對蝕刻速率的影響[26]

℃

4.1.1 以純磷酸當蝕刻溶液

基板上並無特殊處理，僅是把基板表面做簡單的清洗。接著就以 純磷酸當蝕刻溶液，條件為溫度 270℃時間 10 分鐘，蝕刻完畢後以 OM、AFM、SEM 等觀察。圖 4-3 為 OM 圖，首先磷酸並不會蝕刻出特定 的晶面，而是整個表面向下蝕刻，其中會在表面形成若干個凹洞。

圖 4-4 和圖 4-5 分別為 SEM 圖和 AFM 圖，二圖都是對基板上的凹洞作 觀察。SEM 上的似漏斗狀的凹洞，其斜面是連續平順，並沒有特定的 晶面產生，洞的大小約 3μm，深度從 AFM 圖得知約幾百 nm 深。

圖 4-3 經磷酸蝕刻後基板的表面形貌

圖 4-4 蝕刻後基板表面上的凹洞 SEM 圖

圖 4-5 蝕刻後基板表面上的凹洞 AFM 圖

4.1.2 以純硫酸當蝕刻溶液

圖 4-6 用純硫酸在 250℃蝕刻 10 分鐘的 SEM 圖

圖 4-7 用純硫酸在 250℃蝕刻 10 分鐘的 AFM 圖

圖 4-8 用純硫酸在 270℃蝕刻 5 分鐘的 SEM 圖

由於藍寶石基板的主要成分為氧化鋁(Al²O³)，經高溫蝕刻時會跟 蝕刻溶液 H²SO⁴反應，形成不溶解的沉澱物 Al²(SO⁴)³ & Al²(SO⁴)³·17H²O。

此沉澱物會在基板表面沉積，這沉澱物可用超音波震盪器，把它從基 板表面去除。而此沉澱物在蝕刻時會阻礙基板表面跟硫酸反應，跟沒 有沉澱物影響的表面相比，可以明顯看到其角錐會比沒有沉澱物覆蓋 的角錐較小顆且其高度也較低。

圖 4-10 硫酸跟藍寶石基板所反應生成的沉澱物 Insoluble products

Al2(SO4)3 & Al2(SO4)3·17H2O

4.1.3 以混合溶液(H

³

PO

⁴

:H

²

SO

⁴

=1:3)當蝕刻溶液

先經黃光製程，在藍寶石基板上開出圖形以氧化層當光罩，再用 此混合溶液做蝕刻，條件為 270℃8 分鐘，蝕刻完畢後，圖 4-11 為蝕 刻完後的表面圖，從圖 4-12 可知圖形類似一個三角錐，但其頂端一 個平頂為 c-plane(0001)，三個斜面為 r-plane<11-20>，角度為 57°，

高度約 1.2μm。

圖 4-11 蝕刻完後表面形貌圖

c-plane

γ-plane

(1-102)

圖 4-13 為蝕刻完後的 OM 圖，其尺寸為 3μm。因為藍寶石的晶 體結構關係，所以以濕式蝕科都會吃出特定的平面 r-plane，而形成 角錐狀。因此光罩的製作，不管上面圖形是圓型、正方形、正六角形 都會吃出角錐。圖 4-14 的尺寸為 6μm，經過蝕刻後一樣是吃出角錐 只是上面會有平頂，為光罩的圖形正方形。

圖 4-13 尺寸為 3μm 的 OM 圖

圖 4-14 尺寸為 6μm 的 OM 圖

4.2 二次蝕刻

氮化鎵以 c-plane 的藍寶石當基板，經 MOCVD 磊晶後，由於氮化 鎵跟藍寶石之間的晶格常數及熱膨脹係數差異太大，而使得氮化鎵和 藍寶石的介面會產生差排，此差排會影響 LED 的電性。

而經由一次蝕刻得到藍寶石基板的圖案，其角錐的頂端仍是 c-plane。此區域在磊晶完後，依舊會產生缺陷，而經由第二次蝕刻 後，將可以將此區域(c-plane)消除，而的到一完整角錐，其頂端為 尖頂。

4.2.1 二次蝕刻後表面的形貌

二次蝕刻後其原有平頂的角錐，變成完全尖頂的角錐，此時的角 錐的三個平面角度已變，變的較小，坡度變緩，而且角錐的高度也變 小。

圖 4-16 角錐的各個晶面

圖 4-17 為二次蝕刻各階段的示意圖，第一次蝕刻完會出現平頂，

當二次蝕刻開始，隨著時間慢慢增加，平頂會慢慢縮小，最終變成尖 頂，然後角錐也會變矮變小。

圖 4-17 二次蝕刻各階段的示意圖

(1-10X) X=3,4 …

2

^nd

etching

time

圖 4-18 二次蝕刻各階段的 confocal 圖

4.2.2 一次蝕刻與二次蝕刻的比較

從 AFM 圖可以很明顯的看出，經二次蝕刻兩分鐘後，角錐頂端的 平頂(c-plane)已完全消失，達到我們一開始所希望的目標。再經更 長時間的二次蝕刻，原本未相連的的角錐開始慢慢互相交接，在六分 鐘時角錐已連接完成。

圖 4-19 二次蝕刻兩分鐘的 AFM 2D 圖

圖 4-20 二次蝕刻二分鐘的 AFM 3D 圖

圖 4-21 二次蝕刻六分鐘的 AFM 2D 圖

圖 4-23 二次蝕刻兩分鐘的 AFM cross-section 圖

圖 4-24 二次蝕刻六分鐘的 AFM cross-section 圖

從圖 4-23、4-24 的 AFM 分析圖裡的數據，角錐的角度及高度，

圖 4-25 圖案化藍寶石基板上成長氮化鎵之腐蝕坑密度

圖 4-26 傳統藍寶石基板上成長氮化鎵之腐蝕坑密度

4.3.2 一次蝕刻與二次蝕刻基板成長 LED 結構後的截面圖

經 MOCVD 成長 LED 結構後，利用 FIB 看其橫截面。圖 4-27 到 4-33 為一次蝕刻基板各尺寸 SEM 截面圖。圖 4-27 其尺寸為 2μm，因為尺 寸較小，從角錐平頂出來的側向成長的範圍較小，不會在成長過程中 產生氣泡。而 3μm 4μm 6μm 則會因為尺寸較大，都會再成長過程 中產生氣泡。圖 4-34 為氮化鎵磊晶過程的示意圖。

圖 4-27 一次蝕刻基板 2μm 的 SEM 截面圖

圖 4-28 一次蝕刻基板 3μm 的 SEM 截面圖

圖 4-29 一次蝕刻基板 3μm 的 SEM 截面圖

圖 4-30 一次蝕刻基板 4μm 的 SEM 截面圖

圖 4-31 一次蝕刻基板 4μm 的 SEM 截面圖

圖 4-32 一次蝕刻基板 6μm 的 SEM 截面圖

圖 4-34 氮化鎵磊晶過程示意圖[26]

而圖 4-35 至圖 4-38 為二次蝕刻基板各尺寸 SEM 截面圖。因為角 錐上的平頂已消失，所以都從底部的 c-plane 開始成長，而角錐上的 區域都是由底部 c-plane 側向成長過來，所以尺寸 2~6μm 在成長過 程中都不會產生氣泡，都完整的聚合在一起。

圖 4-35 二次蝕刻基板 2μm 的 SEM 截面圖

圖 4-37 二次蝕刻基板 4μm 的 SEM 截面圖

圖 4-38 二次蝕刻基板 6μm 的 SEM 截面圖

4.3.3 一次蝕刻與二次蝕刻基板元件的微結構分析

圖 4-39 為一次蝕刻基板 2μm 的 TEM 截面圖。在角錐平頂旁，有 發現跟之前文獻相同的現象，一樣是因為側向成長的關係而使差排彎 曲。在整個 LED 結構中也發現了許多貫穿差排，並且穿過 MQW 延伸到 p-GaN。

圖 4-39 一次蝕刻基板 2μm TEM 截面圖

圖 4-40 為一次蝕刻基板 6μm 的 TEM 截面圖。在角錐旁有發現一 個氣泡，產生的原因前面已陳述。LED 結構一樣有許多貫穿差排，穿 過 MQW 延伸到 p-GaN，跟 2μm 的情況差不多。

圖 4-40 一次蝕刻基板 6μm 的 TEM 截面圖

圖 4-41 一次蝕刻基板 6μm TEM 截面圖中各區的放大圖

圖 4-42 為二次蝕刻 6μm 的 TEM 截面圖。很清楚可以看到差排彎 曲在角錐斜面上且聚集在一起，而 LED 結構上部份 MQW 及 p-GaN 的區 域幾乎沒有任何一條貫穿差排，顯示出二次蝕刻基板可以很有效抑制 貫穿差排的產生，而為何差排會在角錐斜面處聚集？推測為側向磊晶 所造成的。這邊引用文獻上的 PSS 來解釋，圖 4-44 為他們利用乾式 蝕刻所作的 PSS，基板上圓丘直徑約 5.8μm，高 1.5μm，間距 3.7 μm，圖 4-45 則為磊晶成長時各階段所做的即時觀測：(a)成長 10 分 鐘(b)20 分鐘(c)30 分鐘(d)40 分鐘(e)80 分鐘，其中(a)氮化鎵在圓

(c)~(d)c-plane 區域上的氮化鎵往上成長，隨著成長時間增加，此 區域的氮化鎵會向圓丘區域方向側向成長過去(e)最後聚合成長完後 會形成一完整平滑的面。圖 4-46 為另一個角度的觀測圖。而本研究 的二次蝕刻基板，在磊晶成長氮化鎵時，會因為側向成長而使差排彎 往角錐方向而再角錐斜面聚集在一起。

圖 4-42 二次蝕刻基板 6μm TEM 截面圖

圖 4-43 一次蝕刻基板 6μm TEM 截面圖中各區的放大圖

圖 4-45 氮化鎵磊晶成長時各階段所做的即時 SEM 觀測[29]

圖 4-46 氮化鎵磊晶成長時各階段所做的即時 SEM 觀測[30]

4.3.4 一次蝕刻與二次蝕刻基板元件的電性比較

圖 4-47 為一次蝕刻與二次蝕刻 Iv(Intensity)圖。兩者的 Iv 最 高的都是出現在尺寸為 3μm 時。有圖案化的基板因為磊晶品質的提 升和光取出率增加，Iv 值都比傳統基板(Ref)高。以一次蝕刻和二次 蝕刻基板而言，兩者的 2μm、2.5μm、3μm 的都是 Iv 值較高，3.5

μm、4μm、6μm 則相對較低，這邊應該跟圖案尺寸的關係較大，小 Intensity : Two 127.68 123.46 129.07 107.4 95.21 89.8 80.1 75.81

60 80 100 120

140

One step

Two step

Iv (mcd)

2 μ 2.5 μ 3 μ 3.5 μ 4 μ 6 μ NP Ref

圖 4-48 則是在 20mA 下一次蝕刻與二次蝕刻的 Output power 圖。

Output power (W): One 0.0126 0.01238 0.01186 0.01125 0.01186 0.01108 Relative change (%) 13.72 11.73 7.04 1.53 7.04 0 Output power (W) : Two 0.01376 0.01403 0.01287 0.01169 0.01282 0.01108

Relative change (%) 24.19 26.62 16.16 5.51 15.7 0

五、 結論與未來工作

升，而二次蝕刻的增強 70.25% 。Output power 方面，在 20mA 下，一次蝕刻 2μm 相較於 Ref.增加 13.6%， 二次蝕刻的 3μm 更增加 26.5%。

5.2 未來工作

未來則希望釐清二次蝕刻藍寶石基板上角錐的角度與高度對磊 晶過程的影響，找出一個最佳化的條件，得到最好磊晶品質的氮化 鎵。並對各階段氮化鎵成長過程做及時的觀察，更明確推論出差排在 成長過程中方向如何彎曲聚集，如何減少差排密度。

未來則希望釐清二次蝕刻藍寶石基板上角錐的角度與高度對磊 晶過程的影響，找出一個最佳化的條件，得到最好磊晶品質的氮化 鎵。並對各階段氮化鎵成長過程做及時的觀察，更明確推論出差排在 成長過程中方向如何彎曲聚集，如何減少差排密度。

在文檔中 藍寶石基板上的圖案尺寸與形狀對氮化鎵磊晶成長的影響 (頁 45-0)