第三章 圖形化藍寶石基板之研究
3.8. 結果與討論 （partⅡ）
圖3-26 為第一次蝕刻後的表面形貌，圖 3-26(a)、(b)、(c)、(d)分別為 A-PSS、
B-PSS、C-PSS、D-PSS 一次蝕刻後的表面幾何形狀，其蝕刻圖形的高度分別為 1.2、1.2、1.8、2.4μm。如圖所示，隨著一次蝕刻時間的增加，不僅可以使圖案 的高度增加，同時也會使 r-plane sapphire 的面積增加、c-plane 面積減少。一次 蝕刻後試片A、B、C、D-PSS 的 c-sapphire 面積分別為 59.6%、59.2%、36.2%、
27.4%。其中C-PSS 與 D-PSS 的三角錐底部甚至已經相互連接與重疊。
圖 3-26 (a)A-PSS、(b)B-PSS、(c)C-PSS 和(d)D-PSS 四組試片在本次實驗中經 過不同程度一次蝕刻後的表面形貌。
隨後再將試片 B、C、D-PSS 進行不同程度的第二次蝕刻。圖 3-27 即為本 次實驗中四組PSS 基板的最終形貌（A-PSS 只經一次蝕刻，B、C、D-PSS 經過 二次蝕刻）。四組PSS 基板蝕刻後的高度皆控制在 1.2μm，其目的是要讓 PSS 在 GaN 磊晶時有相同的參考條件。雖然四組試片的角錐都控制在相同的高度，但 是其表面蝕刻圖形的幾何形狀的差異性也越來越大。而經過二次蝕刻處理後的 B、C、D-PSS 基板，其剩下來的 c-sapphire 面積則更進一步的減少至 41.5%、
21.6%、9.6%。利用簡單的三角函數計算，我們可以得知 A、B、C、D-PSS 四
組試片中角錐的斜面傾斜角度分別為57.4°、45.3°、38.3°、31.6°。搭配FIB/SEM 影像的量測可用來佐證計算的結果，圖3-28 為 A-PSS 的 SEM 所量測的影像，其 高度確實為1.2μm 而斜面角度確實為 57.4°。
圖 3-27 (a)A-PSS、(b)B-PSS、(c)C-PSS 和(d)D-PSS 四組試片在本次實驗中經 過不同程度二次蝕刻後的最終表面形貌。
圖 3-28 利用 FIB/SEM 來量測 A-PSS 基板之斜面傾斜角度的結果。
A、B、C、D-PSS 四組 PSS 基板，其每個 PSS 基板在磊晶之前皆經過 concocal microscope 的量測，其結果顯示，每一片 PSS 的圖形高度、寬度和間距的均勻性
都保持在 10%以內。此結果意味著，使用濕式蝕刻方式來製作PSS 基板，其生 得知四組PSS-LED外部量子效率ηEXE分別為25.9%、29.4%、31.8%、38.3%。
D-PSS的外部量子效率ηEXE比A-PSS提昇了約13%。為了證實使用二次蝕刻的PSS 基板可以進一步的提昇LED元件的內部量子效率ηIQE，在此先對內部量子效率的
表 三-2 為此次實驗的各項統計數值。
圖 3-29 內部量子效率的量測系統示意圖。
此次實驗所使用的量測為EL方法，首先將四組PSS-LED分別元件置入真空 腔體的量測系統之內並抽真空，經由冷卻系統的運作將LED降至77K的低溫下進 行變溫（77K ~ 300K）變電流(0.5μA~30mA)的量測。圖3-30為各組PSS-LED在30 mA變溫過程中所量到之發光強度的結果。在假設低溫下的發光效率為100%的情 況下，將全部變溫變電流所量測出的發光強度值經過校正（normalize）之後繪出 作圖，如圖3-31所示，即可得知PSS-LED元件的內部量子效率。A、B、C、D-PSS LED的內部量子效率ηIQE分別為56.5%、60.7%、61.6%、66.1%，進而換算其外 部量子效率即可得知四組PSS-LED的光取出效率ηLEE分別為45.8%、48.4%、
51.6%、53.4.%。其結果顯示使用D-PSS基板來製作的LED，其內部量子效率不 僅比A-PSS大幅的提昇了10%，其光取出效率也增加了8%。
圖 3-30 四組試片從 77K 至 300K 在 30mA 下所量測到的 EL 發光強度。
圖 3-31 四組試片經過變溫變電流量量測後的結果。
圖 3-32 為 A-PSS 和 D-PSS LED 的 TEM 橫截面影像。A-PSS 因為只經一次 蝕刻的結果會留下上下兩個c-sapphire 平頂，由於 GaN 與 sapphire 之間的晶格常 數和熱膨脹係數的差異，由此處磊晶的結果可以看到很明顯的差排缺陷出現。而 D-PSS LED 的差排密度就明顯比 A-PSS 來的少。另外值得注意的是，圖 a 中 PSS 角錐處的地方出現了兩種不同結構的 GaN，第一種 GaNI 是從原本所預期 c-sapphire 的地方開始磊晶，第二種 GaNII則是從角錐的r-sapphire 斜面處開始磊 晶。不同晶體結構的材料通常可以利用TEM 的電子繞射圖形來觀察，如圖 c 所 一方面，XRD (X-ray Diffraction)也同時被用來推測四組 PSS-LED 磊晶品質的好 壞。根據文獻Heying 等人[73]的研究中指出，(002) XRD 半高寬值的變化只會因 為的螺旋差排所造成的軸向剪應變而改變，而刃差排則會大幅影響(102)的結 果。如表3-2 所示，GaN 的(002)和(102) XRD rocking curve 的半高寬值，分別從 A-PSS 的 269.3 和 410.3 （arcsec）一路降到 D-PSS 的 247.4 和 302.4 （arcsec）。 少c-sapphire 的面積。由於 GaN 於 c-sapphire 上孕核成長時會受晶格常數和熱膨 脹係數的差異所影響，而造成高密度差排的缺陷。然而 GaN 側向成長的過程並
圖 3-32 (a)為 A-PSS LED 的橫截面 TEM 影像，(b)為 D-PSS LED 的橫截面 TEM 影像。(c)～(f)分別為圖(a)中方框處所圈選的繞射影像。(g) GaNII的zinc-blende 晶
只能由剩下的9% c-sapphire 的地方進行磊晶，而其他區域則需要靠側向成長的 填合，所以TEM、XRD、EPD 的分析結果確實證明磊晶品質受到相當大的提昇。
另外，Lee 等人[72]利用蒙地卡羅模擬法（Monte Carlo simulation）的演算結果認 為，光子在 PSS 基板中的取出效與圖案斜面的傾斜角有關。其結果表示，圖案 面可以降低至31.6°。GaN 在 D-PSS 基板上的磊晶品質經過 XRD rocking curve、
EPD 的量測與計算都同時證明了差排缺陷密度的減少。D-PSS LED 的發光強度 和輸出功率甚至比A-PSS 大幅提昇了 53%和 38%，其內部量子效率、光取出效 率更比A-PSS 提昇了 10%和 8％。