Technické principy a procesy LED epitaxních destiček

Z principu fungování LED diod je zřejmé, že epitaxní materiál destičky je základní součástí LED diody. Ve skutečnosti jsou klíčové optoelektronické parametry, jako je vlnová délka, jas a propustné napětí, do značné míry určeny epitaxním materiálem. Technologie a zařízení pro epitaxní destičky jsou pro výrobní proces zásadní, přičemž metal-organic chemická depozice z plynné fáze (MOCVD) je primární metodou pro růst tenkých monokrystalických vrstev sloučenin III-V, II-VI a jejich slitin. Níže uvádíme některé budoucí trendy v technologii epitaxních destiček LED.

1. Zlepšení dvoustupňového růstového procesu

V současné době komerční výroba využívá dvoustupňový proces růstu, ale počet substrátů, které lze najednou načíst, je omezený. Zatímco systémy se 6 destičkami jsou vyspělé, stroje zpracovávající přibližně 20 destiček jsou stále ve vývoji. Zvyšování počtu destiček často vede k nedostatečné uniformitě epitaxních vrstev. Budoucí vývoj se zaměří na dva směry:

• Vývoj technologií, které umožňují vložení více substrátů do jedné reakční komory, čímž se zvýší jejich vhodnost pro velkovýrobu a snížení nákladů.
• Pokrok v vysoce automatizovaném, opakovatelném zařízení pro výrobu jednotlivých destiček.

2. Technologie epitaxe z plynné fáze hydridů (HVPE)

Tato technologie umožňuje rychlý růst tlustých vrstev s nízkou hustotou dislokací, které mohou sloužit jako substráty pro homoepitaxní růst s využitím jiných metod. Vrstvy GaN oddělené od substrátu se navíc mohou stát alternativou k objemovým monokrystalickým čipům GaN. HVPE má však nevýhody, jako jsou obtíže s přesnou regulací tloušťky a korozivní reakční plyny, které brání dalšímu zlepšování čistoty materiálu GaN.

Silikonem dopovaný HVPE-GaN

(a) Struktura reaktoru HVPE-GaN dopovaného křemíkem; (b) Obrázek 800 μm silného křemíkem dopovaného HVPE-GaN;

(c) Rozložení koncentrace volných nosičů náboje podél průměru křemíkem dopovaného HVPE-GaN

3. Technologie selektivního epitaxního růstu nebo laterálního epitaxního růstu

Tato technika může dále snížit hustotu dislokací a zlepšit krystalovou kvalitu epitaxních vrstev GaN. Proces zahrnuje:

• Nanesení vrstvy GaN na vhodný substrát (safír nebo SiC).
• Nanesení vrstvy polykrystalické masky SiO₂ na povrch.
• Použití fotolitografie a leptání k vytvoření GaN okének a SiO₂ maskovacích proužků.Během následného růstu GaN nejprve roste vertikálně v okénkách a poté laterálně přes proužky SiO₂.

XKH GaN-na-safírovém waferu

4. Technologie pendeo-epitaxe

Tato metoda významně snižuje mřížkové defekty způsobené mřížkovým a tepelným nesouladem mezi substrátem a epitaxní vrstvou, což dále zlepšuje kvalitu krystalů GaN. Mezi kroky patří:

• Pěstování epitaxní vrstvy GaN na vhodném substrátu (6H-SiC nebo Si) pomocí dvoustupňového procesu.
• Provádění selektivního leptání epitaxní vrstvy až k substrátu, čímž se vytvářejí střídající se sloupkové (GaN/tlumič/substrát) a příkopové struktury.
• Rostoucí další vrstvy GaN, které se rozprostírají laterálně od bočních stěn původních GaN sloupků, zavěšených nad zákopy.Protože se nepoužívá žádná maska, zabraňuje se kontaktu mezi GaN a materiály masky.

XKH GaN na křemíkové destičce

5. Vývoj epitaxních materiálů s krátkovlnnými UV LED diodami

To pokládá pevný základ pro bílé LED diody na bázi fosforu s UV buzením. Mnoho vysoce účinných fosforů lze budit UV světlem, což nabízí vyšší světelnou účinnost než současný systém YAG:Ce, a tím i vyšší výkon bílých LED diod.

6. Technologie čipů s více kvantovými jámami (MQW)

V MQW strukturách jsou během růstu vrstvy emitující světlo dopovány různé nečistoty, čímž vznikají různé kvantové jámy. Rekombinace fotonů emitovaných z těchto jam přímo produkuje bílé světlo. Tato metoda zlepšuje světelnou účinnost, snižuje náklady a zjednodušuje balení a řízení obvodů, i když představuje větší technické výzvy.

7. Vývoj technologie „recyklace fotonů“

V lednu 1999 vyvinula japonská společnost Sumitomo bílou LED diodu s použitím materiálu ZnSe. Technologie zahrnuje pěstování tenké vrstvy CdZnSe na monokrystalickém substrátu ZnSe. Po elektrifikaci vrstva emituje modré světlo, které interaguje se substrátem ZnSe a vytváří komplementární žluté světlo, což vede k bílému světlu. Podobně Centrum pro výzkum fotoniky Bostonské univerzity naskládalo polovodičovou sloučeninu AlInGaP na modrou GaN LED diodu, aby generovalo bílé světlo.

8. Průběh procesu epitaxního destičkového LED

① Výroba epitaxních destiček:
Substrát → Strukturální návrh → Růst nárazníkové vrstvy → Růst vrstvy GaN typu N → Růst vrstvy emitující světlo MQW → Růst vrstvy GaN typu P → Žíhání → Testování (fotoluminiscence, rentgenové záření) → Epitaxní destička

② Výroba čipů:
Epitaxní destička → Návrh a výroba masky → Fotolitografie → Iontové leptání → Elektroda typu N (depozice, žíhání, leptání) → Elektroda typu P (depozice, žíhání, leptání) → Dělení → Kontrola a třídění čipů.

ZMSHův destičkový materiál GaN na SiC