Wavelength (nm)
FWHM=18 nm
圖4-4d 高斯分佈函數模擬的量子井發光頻譜
390 400 410 420 430 440 450
0.05 0.1 0.15 0.2
Relative Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
FWHM~13 nm
圖4-4e 理論模擬可測量到的結果對波長關係圖
件，稱之為樣品 B。
4-5-1 樣品的事先準備-樣品之清洗
在樣品做製程之前必須先經過初步清洗，初步清洗的步驟為：Ⅰ . 以丙酮(ACE)浸泡並放在超音波震盪器之中震盪五分鐘，以去除表面 的污染物。Ⅱ.將樣品自 ACE 拿出，以氮氣槍吹乾後，放置到去離子 水(DI-water)中沖洗五分鐘。Ⅲ.將樣品自 DI-water 拿出，同樣以氮 氣槍吹乾後，再浸泡到乙醇(IPA)中並放在超音波震盪器之中震盪五 分鐘，藉以去除樣品表面殘餘的 ACE。Ⅳ.再將樣品同樣以氮氣槍吹 乾後，放置到 DI-water 中沖洗五分鐘，最後氮氣槍吹乾完成初步清 洗的步驟。這裡氮化鎵並不需要像矽晶圓一樣，在初步清洗中使用酸 或鹼的溶液來去除氧化層，其原因在於氮化鎵本身材料較為穩定，不 容易與空氣中的氧作用，所以可以省略去氧化層的步驟。而且經過 IPA 清洗後還需要再放置到 D-I Water 中沖洗的原因為：雖然 IPA 同 時具備可溶有機與親水性，在業界大量生產時通常藉由大量地 IPA 沖 洗同時去除 ACE 與樣品表面的殘餘水分子。但是我們實驗中 IPA 清理 時並非為大量沖洗，而是放在燒杯中以少量的 IPA 去除 ACE，所以為 避免燒杯中少量的 IPA 尚含有 ACE 殘餘，所以最後還需要經過 D-I Water 沖洗。初步清洗完後，未避免樣品表面殘留水分子影響了光阻 塗佈後黃光製程的穩定性，需先將樣品放置於 120℃的加熱台上，烘
烤(Hard bake)十分鐘，將樣品表面殘留的水分子去除乾淨。
4-5-2 第一道製程程序-定義元件大小尺寸
第一道製程目的要將每個元件的大小定義出來，利用光阻塗佈機 來將光阻圖佈於樣品之上，第一階段初轉為 1000 rpm 的轉速旋轉 10 sec，接著以第二階段末轉為 3000 rpm 的轉速旋轉 30 sec，這樣的 條件下樣品表面的光阻膜厚約為 1.6 μm，之後的每一道光阻塗佈條 件均與此相同，塗布好的樣品如圖 4-5a 左邊所示。接著以對準曝光 機曝光，再以顯影液 FHD-5 顯影後，裸露出元件區域，如圖 4-5a 右 邊所示。元件大小尺寸為長度 170 μm、寬度 120μm 的長方形，下 圖中為元件之長度方向。
在光阻顯影出元件的圖案後，欲以感應耦合電漿蝕刻系統
(ICP-RIE)來蝕刻元件，而且鎳金屬阻擋蝕刻的效果比光阻來的好，
所以採用鎳金屬來當阻擋層。利用電子蒸鍍機機台(E-gun)將鎳金屬
(Nickel)蒸鍍於樣品上，其厚度約為 2000 A，如圖 4-5b 左邊所示。
蒸鍍完的樣品再置於 ACE 中，利用剝離的方式(Lift-off)去除我們不 需要的鎳金屬區域，如圖 4-5b 右邊所示。
4-5-3 第二道製程程序-ICP 蝕刻
第二道製程我們以 ICP-RIE 來蝕刻樣品到 n 型氮化鎵層，ICP-RIE 的蝕刻條件為：ICP power 300 W、Bias power 30 W、氯氣流量 50 sccm、氬氣流量 20 sccm、反應腔壓力 0.66 pa，在這樣的條件下蝕 刻速率約為 2000 A/min，我們進行蝕刻時間為 1 分 20 秒，蝕刻深度
約為 0.25μm，蝕刻到 n 型的氮化鎵層處，如圖 4-5c 左邊所示。最 後再以硝酸(HNO3)清洗掉樣品表面的鎳金屬，完成後的圖形如圖 4-5c 右邊所示。
4-5-4 第三道製程程序-n 型電極之製作
第三道製程目的是要蒸鍍上元件的 n 型電極金屬，同樣將光阻塗 佈於樣品表面，曝光顯影後裸露出欲鍍上電極的區域，如圖 4-5d 所 示。n 型電極的大小尺寸為長度 90 μm、寬度 170 μm 的長方形。
再以電子蒸鍍機機台蒸鍍鈦(Titanium)金屬與鋁(Aluminum)金屬，其 厚度分別為 150 A 與 2200 A，蒸鍍完的樣品再置於 ACE 中，利用剝 離的方式(Lift-off)去除我們不需要的金屬區域，完成後的圖形如圖 4-5e 所示。
4-5-5 第四道製程程序-侷限電流之隔離層
第四道製程目的是要做出用來侷限電流的二氧化矽(SiO2)介電 質隔離層，先將樣品表面全部利用電漿輔助化學氣相沉積 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) 沈積二氧化矽薄 膜厚度為 3000 A，如圖 4-5f 左邊所示。二氧化矽的大小尺寸長度為 160μm、寬度為 110 μm 的長方形。
再利用光阻曝光顯影出不需要二氧化矽的區域，以 BOE 溶液做濕蝕刻 (Wet Etching)去二氧化矽，完成後的圖形如圖 4-5g 所示，需要做介 電質的原因在於：氮化鎵發光元件的 p 型氮化鎵其鎂摻雜濃度不容易 提升，所以電流擴散的能力相對的不佳，尤其在較小孔徑的元件出光
口。如果不做先介電質隔離層，而使得電流由 p 型電極直接垂直灌入 主動層後，所發出的光容易被 p 型自己的電極金屬所阻擋。因此先以 二氧化矽成長在樣品表面，且元件中間出光孔徑左右較 p 型電極大上 5μm，讓 p 型電極以環形的電極接觸 p 型的氮化鎵表面注入電流。
4-5-6 第五道製程程序-透明電極之製作
第五道製程目的是在元件的出光口處蒸鍍上薄薄的透明電極，以 幫助電流能均勻地注入元件中，採用的金屬為鎳(Nickel)金屬與金 (Golden)金屬，圖 4-5h 為第五道製程的光阻塗佈示意圖。
再以電子蒸鍍機機台蒸鍍鎳(Nickel)金屬與金(Golden)金屬，其厚度
各 50 A，蒸鍍完的樣品再置於 ACE 中，利用剝離的方式(Lift-off) 去除我們不需要的金屬區域，完成後的圖形如圖 4-5i 所示。
4-5-7 第六道製程程序-P 型電極之製作
第六道製程目的是蒸鍍上 P 型電極。圖 4-5j 為樣品光阻塗佈與 顯影後的示意圖。除了原先 P 型電極的位置之外，之前已經蒸鍍好 Ti/Al 150/2200 A 的 N 型電極位置，在此道製程也同樣一起再蒸鍍 上鎳(Nickel)金屬與金(Golden)金屬，這樣的製程目的是為了以後需 要將元件打線時，兩個電極均有厚的金可以使用，利用光阻顯影出電 極的區域後，以電子蒸鍍機機台蒸鍍鎳(Nickel)金屬與金(Golden) 金屬，其厚度分別為 300 A 與 4000 A，蒸鍍完的樣品再置於 ACE 中，
利用剝離的方式(Lift-off)去除我們不需要的金屬區域，完成後的圖 形如圖 4-5k 所示。P 型電極的大小尺寸長度為 140 μm、寬度為 90 μm 的長方形。
最後再將整個樣品以 530℃氮氣環境下，熱退火 5 分鐘，讓 n 型 與 p 型電極的金屬形成合金，降低電阻值。至此樣品 A：只具有下層 DBR 的元件已經完成，而且可進行的量測，至於樣品 B：完整的面射 型發光元件仍須最後一道介電質 DBR 的製程，如下所述。
4-5-8 第七道製程程序-介電質 DBR 之製作
最後第七道製程目的是欲鍍上二氧化矽(SiO2)與二氧化鈦(TiO2) 的介電質布拉格反射鏡，品質好的鍍膜需要在高溫下(~100℃以上) 蒸鍍，然而光阻在這樣的溫度之下會過度硬化，使得蒸鍍完成後無法
利用 ACE 剝離我們不需要的光阻與介電質部分32。為了解決這一個嚴 重的問題，利用了可耐 200℃高溫的 LOR 化學溶液，LOR 不但能耐高 溫，也與光阻同樣能被顯影液去除，顯影特性上較光阻更能形成較深 的側向蝕刻，使其更利於剝離不需要的光阻與沈積物。在製程程序上 先將 LOR 塗佈於樣品表面，轉速與之前所提到的光阻塗佈條件均相 同，在這樣的條件下 LOR 的厚度約為 1μm，之後再於其上塗佈光阻 再進行一般的黃光製程，如下圖 4-5l 所示。
曝光顯影出上層介電質 DBR 欲蒸鍍的區域後，蒸鍍上一共 2 對的 SiO2與 TiO2，其厚度分別為 69.7 A 與 42.4 A，則介電質 DBR 總厚度 約為 200 A，尺寸大小為 40 μm 大小的圓形。在蒸鍍時放入另一個 測試樣品，以測量蒸鍍完後的介電質布拉格反射鏡之反射率。最後蒸 鍍完的樣品再置於 ACE 中，利用剝離的方式(Lift-off)去除我們不需 要的 LOR 溶劑、光阻與介電質反射膜，圖 4-5n 介電質反射膜剝離的 製程示意圖，至此完成樣品 B 的製作。
上層介電質布拉格反射鏡之反射率頻譜，如圖 4-5m 所示。反射 率在波長為 410 nm 處之反射率為 81.7％，因為兩介電質材料的折射 率差異大，所以所得的其 Stop Band 非常寬，約為 112 nm。這結果 也符合了元件上層反射鏡的需要，在量子井的 410 nm 發光波長，元 件下層反射鏡之反射率約為 90％、上層反射鏡之反射率約為 81.7
％，整個面射型發光元件的製程十分成功。
360 400 440 480 520 560 600 640
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Peak 410 nm R ~ 81.7 %
Reflectivity
Wavelength (nm)
圖 4-5m SiO2/TiO2介電質布拉格反射鏡之反射率頻譜
圖 4-5o(a)為元件完成的示意圖，圖 4-5o(b)為元件在掃瞄式電 子顯微鏡下，倍率為 400 與 4500 中拍攝到的完整元件圖形與元件出 光孔區域的圖形，由於上層的 SiO2/TiO2介電質布拉格反射鏡厚度很 薄，約只有 200 A，而在出光口的 P 型電極厚度高達 4000 A，所以由 掃瞄式電子顯微鏡下無法觀察到上層反射鏡的外貌。然而因為 SiO2/TiO2反射鏡在光學顯微鏡下可看到不同於元件表面的顏色，可用 來判斷是否有介電質反射鏡的存在。
圖 4-5o (a)元件完成示意圖(b)掃瞄式電子顯微鏡拍攝圖
完成後的樣品 A 與樣品 B，可由光學顯微鏡的照片中看出在出光孔蒸 鍍有介電質反射膜，兩著顏色上有所差異，如圖 4-5p 與圖 4-5q 所示。
Sa S a pp p p hi h i re r e U- U -G Ga a N N Al A l N/ N /G Ga a N N D D BR B R
n- n M M -G Ga QW Q a W N N
SiO2/TiO2 DBR
(a) (b)
p- p -G Ga a N N
N contact P contact
圖 4-5p 樣品 A-未鍍介電質反射膜之照片
圖 4-5q 樣品 B-有鍍介電質反射膜之照片
在下一章-面射型元件之測量結果與討論，將對於本章中製造的 樣品 A 與樣品 B 兩種元件進行電性上的量測，並分析所量測到的元件 特性曲線與觀察到的現象，最後報告我們所獲得的研究成果。