Tekniska principer och processer för LED-epitaxialskivor

Av lysdiodernas funktionsprincip framgår det tydligt att det epitaxiella wafermaterialet är kärnkomponenten i en lysdiod. Faktum är att viktiga optoelektroniska parametrar som våglängd, ljusstyrka och framspänning till stor del bestäms av det epitaxiella materialet. Epitaxial waferteknik och utrustning är avgörande för tillverkningsprocessen, där metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD) är den primära metoden för att odla tunna enkristallskikt av III-V, II-VI-föreningar och deras legeringar. Nedan följer några framtida trender inom LED-epitaxiell waferteknik.

1. Förbättring av tillväxtprocessen i två steg

För närvarande använder kommersiell produktion en tvåstegsprocess för tillväxt, men antalet substrat som kan laddas samtidigt är begränsat. Medan system med 6 wafers är mogna, är maskiner som hanterar cirka 20 wafers fortfarande under utveckling. Att öka antalet wafers leder ofta till otillräcklig enhetlighet i epitaxiella lager. Framtida utveckling kommer att fokusera på två riktningar:

• Utveckla tekniker som möjliggör laddning av fler substrat i en enda reaktionskammare, vilket gör dem mer lämpade för storskalig produktion och kostnadsminskning.
• Framsteg med högautomatiserad, repeterbar utrustning för enskilda wafers.

2. Hydridångfasepitaxis (HVPE)-teknik

Denna teknik möjliggör snabb tillväxt av tjocka filmer med låg dislokationsdensitet, vilka kan fungera som substrat för homoepitaxiell tillväxt med andra metoder. Dessutom kan GaN-filmer separerade från substratet bli alternativ till bulk GaN-enkristallchips. HVPE har dock nackdelar, såsom svårigheter med exakt tjocklekskontroll och korrosiva reaktionsgaser som hindrar ytterligare förbättringar av GaN-materialets renhet.

Si-dopad HVPE-GaN

(a) Struktur av Si-dopad HVPE-GaN-reaktor; (b) Bild av 800 μm tjock Si-dopad HVPE-GaN;

(c) Fördelning av fri bärarkoncentration längs diametern av Si-dopad HVPE-GaN

3. Selektiv epitaxiell tillväxt eller lateral epitaxiell tillväxtteknik

Denna teknik kan ytterligare minska dislokationsdensiteten och förbättra kristallkvaliteten hos GaN-epitaxialskikten. Processen innefattar:

• Avsättning av ett GaN-lager på ett lämpligt substrat (safir eller SiC).
• Avsättning av ett polykristallint SiO₂-masklager ovanpå.
• Använda fotolitografi och etsning för att skapa GaN-fönster och SiO₂-maskremsor.Under efterföljande tillväxt växer GaN först vertikalt i fönstren och sedan i sidled över SiO₂-remsorna.

XKHs GaN-på-safir-wafer

4. Pendeo-epitaxi-teknik

Denna metod minskar avsevärt gitterdefekter orsakade av gitter- och termisk obalans mellan substratet och det epitaxiella lagret, vilket ytterligare förbättrar GaN-kristallkvaliteten. Stegen inkluderar:

• Odla ett GaN-epitaxiellt lager på ett lämpligt substrat (6H-SiC eller Si) med hjälp av en tvåstegsprocess.
• Utför selektiv etsning av det epitaxiella lagret ner till substratet, vilket skapar alternerande pelar- (GaN/buffert/substrat) och trenchstrukturer.
• Växande ytterligare GaN-lager, som sträcker sig i sidled från sidoväggarna på de ursprungliga GaN-pelarna, upphängda över skyttegravarna.Eftersom ingen mask används undviker man kontakt mellan GaN och maskmaterial.

XKHs GaN-på-kisel-skiva

5. Utveckling av epitaxiella material för kortvågig UV-LED

Detta lägger en solid grund för UV-exciterade fosforbaserade vita lysdioder. Många högeffektiva fosforer kan exciteras av UV-ljus, vilket ger högre ljuseffektivitet än det nuvarande YAG:Ce-systemet, vilket förbättrar prestandan för vita lysdioder.

6. Multi-Quantum Well (MQW) Chip-teknik

I MQW-strukturer dopas olika föroreningar under tillväxten av det ljusemitterande lagret för att skapa varierande kvantbrunnar. Rekombinationen av fotoner som emitteras från dessa brunnar producerar vitt ljus direkt. Denna metod förbättrar ljuseffektiviteten, minskar kostnaderna och förenklar kapsling och kretsstyrning, även om den medför större tekniska utmaningar.

7. Utveckling av tekniken för "fotonåtervinning"

I januari 1999 utvecklade japanska Sumitomo en vit LED med ZnSe-material. Tekniken innebär att en tunn CdZnSe-film odlas på ett ZnSe-enkristallsubstrat. När filmen elektrifieras avger den blått ljus, som interagerar med ZnSe-substratet för att producera komplementärt gult ljus, vilket resulterar i vitt ljus. På liknande sätt staplade Boston Universitys Photonics Research Center en AlInGaP-halvledarförening på en blå GaN-LED för att generera vitt ljus.

8. LED-epitaxiell waferprocessflöde

① Tillverkning av epitaxialskivor:
Substrat → Strukturdesign → Tillväxt av buffertlager → Tillväxt av N-typ GaN-lager → Tillväxt av MQW-ljusemitterande lager → Tillväxt av P-typ GaN-lager → Glödgning → Testning (fotoluminescens, röntgen) → Epitaxiell wafer

② Chiptillverkning:
Epitaxiell wafer → Maskdesign och tillverkning → Fotolitografi → Jonetsning → N-typelektrod (deponering, glödgning, etsning) → P-typelektrod (deponering, glödgning, etsning) → Tärning → Spåninspektion och gradering.

ZMSHs GaN-på-SiC-skiva