Tekniske prinsipper og prosesser for LED-epitaksiale wafere

Fra LED-lysenes virkemåte er det tydelig at det epitaksiale wafermaterialet er kjernekomponenten i en LED. Faktisk bestemmes viktige optoelektroniske parametere som bølgelengde, lysstyrke og foroverspenning i stor grad av det epitaksiale materialet. Epitaksial waferteknologi og -utstyr er avgjørende for produksjonsprosessen, med metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD) som den primære metoden for å dyrke tynne enkeltkrystalllag av III-V, II-VI-forbindelser og deres legeringer. Nedenfor er noen fremtidige trender innen LED-epitaksial waferteknologi.

1. Forbedring av totrinns vekstprosess

For tiden benytter kommersiell produksjon en totrinns vekstprosess, men antallet substrater som kan lastes samtidig er begrenset. Selv om 6-wafer-systemer er modne, er maskiner som håndterer rundt 20 wafere fortsatt under utvikling. Å øke antallet wafere fører ofte til utilstrekkelig ensartethet i epitaksiale lag. Fremtidig utvikling vil fokusere på to retninger:

• Utvikling av teknologier som tillater lasting av flere substrater i et enkelt reaksjonskammer, noe som gjør dem mer egnet for storskala produksjon og kostnadsreduksjon.
• Fremskritt innen svært automatisert, repeterbart enkeltwaferutstyr.

2. Hydriddampfaseepitaksi (HVPE)-teknologi

Denne teknologien muliggjør rask vekst av tykke filmer med lav dislokasjonstetthet, som kan tjene som substrater for homoepitaksial vekst ved bruk av andre metoder. I tillegg kan GaN-filmer separert fra substratet bli alternativer til bulk GaN-enkrystallbrikker. HVPE har imidlertid ulemper, som vanskeligheter med presis tykkelseskontroll og korrosive reaksjonsgasser som hindrer ytterligere forbedring av GaN-materialets renhet.

Si-dopet HVPE-GaN

(a) Struktur av Si-dopet HVPE-GaN-reaktor; (b) Bilde av 800 μm tykk Si-dopet HVPE-GaN;

(c) Fordeling av fri bærerkonsentrasjon langs diameteren til Si-dopet HVPE-GaN

3. Selektiv epitaksial vekst eller lateral epitaksial vekstteknologi

Denne teknikken kan ytterligere redusere dislokasjonstettheten og forbedre krystallkvaliteten til GaN-epitaksiale lag. Prosessen involverer:

• Avsetning av et GaN-lag på et passende underlag (safir eller SiC).
• Avsetning av et polykrystallinsk SiO₂-maskelag på toppen.
• Bruk av fotolitografi og etsning for å lage GaN-vinduer og SiO₂-maskestrimler.Under den påfølgende veksten vokser GaN først vertikalt i vinduene og deretter sideveis over SiO₂-stripene.

XKHs GaN-på-safir-wafer

4. Pendeo-epitaksiteknologi

Denne metoden reduserer gitterdefekter forårsaket av gitter- og termisk mismatch mellom substratet og det epitaksiale laget betydelig, noe som ytterligere forbedrer GaN-krystallkvaliteten. Trinnene inkluderer:

• Dyrking av et GaN epitaksialt lag på et passende substrat (6H-SiC eller Si) ved hjelp av en totrinnsprosess.
• Utfører selektiv etsning av det epitaksiale laget ned til substratet, og lager alternerende søyle- (GaN/buffer/substrat) og grøftstrukturer.
• Voksende ytterligere GaN-lag, som strekker seg lateralt fra sideveggene til de opprinnelige GaN-søylene, hengt over grøftene.Siden det ikke brukes noen maske, unngår dette kontakt mellom GaN og maskematerialer.

XKHs GaN-på-silisium-wafer

5. Utvikling av epitaksiale materialer for kortbølget UV LED

Dette legger et solid grunnlag for UV-eksiterte fosforbaserte hvite LED-er. Mange høyeffektive fosforer kan eksiteres av UV-lys, noe som gir høyere lysutbytte enn det nåværende YAG:Ce-systemet, og dermed forbedrer ytelsen til hvite LED-er.

6. Multi-Quantum Well (MQW) chipteknologi

I MQW-strukturer dopes forskjellige urenheter under veksten av det lysutstrålende laget for å skape varierende kvantebrønner. Rekombinasjonen av fotoner som sendes ut fra disse brønnene produserer hvitt lys direkte. Denne metoden forbedrer lyseffektiviteten, reduserer kostnader og forenkler pakking og kretskontroll, selv om den byr på større tekniske utfordringer.

7. Utvikling av teknologi for «fotonresirkulering»

I januar 1999 utviklet det japanske selskapet Sumitomo en hvit LED ved hjelp av ZnSe-materiale. Teknologien innebærer å dyrke en tynn CdZnSe-film på et ZnSe-enkrystallsubstrat. Når filmen elektrifiseres, sender den ut blått lys, som samhandler med ZnSe-substratet for å produsere komplementært gult lys, noe som resulterer i hvitt lys. På samme måte stablet Boston Universitys Photonics Research Center en AlInGaP-halvlederforbindelse på en blå GaN-LED for å generere hvitt lys.

8. LED epitaksial wafer prosessflyt

① Epitaksial waferfabrikasjon:
Substrat → Strukturdesign → Bufferlagvekst → N-type GaN-lagvekst → MQW lysemitterende lagvekst → P-type GaN-lagvekst → Gløding → Testing (fotoluminescens, røntgen) → Epitaksial wafer

② Chipfabrikasjon:
Epitaksial wafer → Maskedesign og -fabrikasjon → Fotolitografi → Ionetsing → N-type elektrode (avsetning, gløding, etsning) → P-type elektrode (avsetning, gløding, etsning) → Terning → Sponinspeksjon og gradering.

ZMSHs GaN-på-SiC-skive