LED epitaksiālo vafeļu tehniskie principi un procesi

No LED darbības principa ir skaidrs, ka epitaksiālā plāksnītes materiāls ir LED galvenā sastāvdaļa. Faktiski galvenos optoelektroniskos parametrus, piemēram, viļņa garumu, spilgtumu un tiešo spriegumu, lielā mērā nosaka epitaksiālais materiāls. Epitaksiālās plāksnītes tehnoloģija un aprīkojums ir kritiski svarīgi ražošanas procesam, un metālorganiskā ķīmiskā tvaiku pārklāšana (MOCVD) ir galvenā metode III-V, II-VI savienojumu un to sakausējumu plānu monokristāla slāņu audzēšanai. Zemāk ir minētas dažas nākotnes tendences LED epitaksiālajā plāksnītes tehnoloģijā.

1. Divpakāpju izaugsmes procesa uzlabošana

Pašlaik komerciālajā ražošanā tiek izmantots divpakāpju augšanas process, taču substrātu skaits, ko var vienlaikus ielādēt, ir ierobežots. Lai gan 6 vafeļu sistēmas ir nobriedušas, iekārtas, kas apstrādā aptuveni 20 vafeļus, joprojām tiek izstrādātas. Vafeļu skaita palielināšana bieži noved pie nepietiekamas epitaksiālo slāņu vienmērīguma. Turpmākā attīstība būs vērsta uz diviem virzieniem:

• Izstrādājot tehnoloģijas, kas ļauj ielādēt vairāk substrātu vienā reakcijas kamerā, padarot tās piemērotākas liela mēroga ražošanai un izmaksu samazināšanai.
• Augsti automatizēta, atkārtojama vienas vafeles aprīkojuma attīstība.

2. Hidrīda tvaika fāzes epitaksijas (HVPE) tehnoloģija

Šī tehnoloģija ļauj ātri izaudzēt biezas plēves ar zemu dislokāciju blīvumu, kuras var kalpot par substrātiem homoepitaksiālai augšanai, izmantojot citas metodes. Turklāt no substrāta atdalītas GaN plēves var kļūt par alternatīvu lielapjoma GaN monokristāla mikroshēmām. Tomēr HVPE ir trūkumi, piemēram, grūtības precīzā biezuma kontrolē un korozīvas reakcijas gāzes, kas kavē GaN materiāla tīrības turpmāku uzlabošanu.

Si-dopēts HVPE-GaN

(a) Ar Si leģēta HVPE-GaN reaktora struktūra; (b) 800 μm bieza ar Si leģēta HVPE-GaN attēls;

(c) Brīvo nesēju koncentrācijas sadalījums pa Si-dopēta HVPE-GaN diametru

3. Selektīva epitaksiāla augšana vai laterāla epitaksiāla augšanas tehnoloģija

Šī metode var vēl vairāk samazināt dislokāciju blīvumu un uzlabot GaN epitaksiālo slāņu kristālu kvalitāti. Process ietver:

• GaN slāņa uzklāšana uz piemērota substrāta (safīra vai SiC).
• Virsū uzklājot polikristālisku SiO₂ maskas slāni.
• GaN logu un SiO₂ masku sloksnes izveide, izmantojot fotolitogrāfiju un kodināšanu.Turpmākās augšanas laikā GaN vispirms aug vertikāli logos un pēc tam sāniski pāri SiO₂ sloksnēm.

XKH GaN-on-Sapphire vafele

4. Pendeo-epitaksijas tehnoloģija

Šī metode ievērojami samazina režģa defektus, ko izraisa režģa un termiskā neatbilstība starp substrātu un epitaksiālo slāni, vēl vairāk uzlabojot GaN kristālu kvalitāti. Šīs metodes darbības ietver:

• GaN epitaksiālā slāņa audzēšana uz piemērota substrāta (6H-SiC vai Si), izmantojot divpakāpju procesu.
• Veicot selektīvu epitaksiālā slāņa kodināšanu līdz substrātam, izveidojot mainīgas pīlāra (GaN/buferis/substrāts) un tranšejas struktūras.
• Papildu GaN slāņu audzēšana, kas stiepjas sāniski no sākotnējo GaN pīlāru sānu sienām, kas ir apturētas virs tranšejām.Tā kā netiek izmantota maska, tas novērš GaN un maskas materiālu saskari.

XKH GaN uz silīcija vafele

5. Īsviļņu UV LED epitaksiālo materiālu izstrāde

Tas liek stabilu pamatu UV ierosinātām fosfora bāzes baltām LED spuldzēm. Daudzus augstas efektivitātes fosforus var ierosināt UV gaisma, piedāvājot augstāku gaismas efektivitāti nekā pašreizējā YAG:Ce sistēma, tādējādi uzlabojot balto LED veiktspēju.

6. Daudzkvantu urbumu (MQW) mikroshēmu tehnoloģija

MQW struktūrās gaismu emitējošā slāņa augšanas laikā tiek dopēti dažādi piemaisījumi, lai radītu dažādas kvantu akas. No šīm akām izstaroto fotonu rekombinācija tieši rada balto gaismu. Šī metode uzlabo gaismas efektivitāti, samazina izmaksas un vienkāršo iepakojumu un shēmas vadību, lai gan tā rada lielākas tehniskas problēmas.

7. “Fotonu pārstrādes” tehnoloģijas attīstība

1999. gada janvārī Japānas uzņēmums Sumitomo izstrādāja baltu gaismas diodi (LED), izmantojot ZnSe materiālu. Tehnoloģija ietver CdZnSe plānas plēves audzēšanu uz ZnSe monokristāla substrāta. Elektrificējot, plēve izstaro zilu gaismu, kas mijiedarbojas ar ZnSe substrātu, radot komplementāru dzeltenu gaismu, kā rezultātā rodas balta gaisma. Līdzīgi Bostonas Universitātes Fotonikas pētniecības centrs uzklāja AlInGaP pusvadītāju savienojumu uz zilas GaN-LED, lai ģenerētu baltu gaismu.

8. LED epitaksiālā vafeļu procesa plūsma

① Epitaksiālās vafeļu izgatavošana:
Substrāts → Struktūras projektēšana → Buferslāņa augšana → N tipa GaN slāņa augšana → MQW gaismu emitējošā slāņa augšana → P tipa GaN slāņa augšana → Atkvēlināšana → Testēšana (fotoluminiscence, rentgena starojums) → Epitaksiālā plāksne

② Čipu izgatavošana:
Epitaksiālā vafeļu plāksne → Maskas dizains un izgatavošana → Fotolitogrāfija → Jonu kodināšana → N tipa elektrods (nogulsnēšana, atkvēlināšana, kodināšana) → P tipa elektrods (nogulsnēšana, atkvēlināšana, kodināšana) → Sagriešana kubiņos → Čipu pārbaude un gradēšana.

ZMSH GaN-on-SiC vafele