Tekniske principper og processer for LED epitaksiale wafere

Ud fra LED'ers funktionsprincip er det tydeligt, at det epitaksiale wafermateriale er kernekomponenten i en LED. Faktisk bestemmes vigtige optoelektroniske parametre som bølgelængde, lysstyrke og fremadrettet spænding i høj grad af det epitaksiale materiale. Epitaksial waferteknologi og -udstyr er afgørende for fremstillingsprocessen, hvor metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD) er den primære metode til at dyrke tynde enkeltkrystallag af III-V, II-VI forbindelser og deres legeringer. Nedenfor er nogle fremtidige tendenser inden for LED epitaksial waferteknologi.

1. Forbedring af totrinsvækstprocessen

I øjeblikket anvender kommerciel produktion en totrins vækstproces, men antallet af substrater, der kan ilægges på én gang, er begrænset. Mens 6-wafer-systemer er modne, er maskiner, der håndterer omkring 20 wafere, stadig under udvikling. At øge antallet af wafere fører ofte til utilstrækkelig ensartethed i epitaksiale lag. Fremtidig udvikling vil fokusere på to retninger:

• Udvikling af teknologier, der muliggør påfyldning af flere substrater i et enkelt reaktionskammer, hvilket gør dem mere egnede til storskalaproduktion og omkostningsreduktion.
• Fremskridt med højt automatiseret, repeterbart enkeltwaferudstyr.

2. Hydriddampfaseepitaksi (HVPE) teknologi

Denne teknologi muliggør hurtig vækst af tykke film med lav dislokationstæthed, som kan tjene som substrater for homoepitaxial vækst ved hjælp af andre metoder. Derudover kan GaN-film adskilt fra substratet blive alternativer til bulk GaN-enkeltkrystalchips. HVPE har dog ulemper, såsom vanskeligheder med præcis tykkelseskontrol og korrosive reaktionsgasser, der hindrer yderligere forbedring af GaN-materialets renhed.

Si-doteret HVPE-GaN

(a) Struktur af Si-doteret HVPE-GaN-reaktor; (b) Billede af 800 μm tyk Si-doteret HVPE-GaN;

(c) Fordeling af fri bærerkoncentration langs diameteren af Si-doteret HVPE-GaN

3. Selektiv epitaksial vækst eller lateral epitaksial vækstteknologi

Denne teknik kan yderligere reducere dislokationstætheden og forbedre krystalkvaliteten af GaN-epitaksiale lag. Processen involverer:

• Aflejring af et GaN-lag på et passende substrat (safir eller SiC).
• Aflejring af et polykrystallinsk SiO₂-maskelag ovenpå.
• Brug af fotolitografi og ætsning til at skabe GaN-vinduer og SiO₂-maskestrimler.Under den efterfølgende vækst vokser GaN først lodret i vinduerne og derefter lateralt over SiO₂-strimlerne.

XKHs GaN-på-safir-wafer

4. Pendeo-epitaksiteknologi

Denne metode reducerer gitterdefekter forårsaget af gitter- og termisk uoverensstemmelse mellem substratet og det epitaksiale lag betydeligt, hvilket yderligere forbedrer GaN-krystalkvaliteten. Trinene omfatter:

• Dyrkning af et GaN epitaksialt lag på et passende substrat (6H-SiC eller Si) ved hjælp af en totrinsproces.
• Udførelse af selektiv ætsning af det epitaksiale lag ned til substratet, hvorved der skabes alternerende søjle- (GaN/buffer/substrat) og trench-strukturer.
• Dyrkning af yderligere GaN-lag, som strækker sig lateralt fra sidevæggene på de oprindelige GaN-søjler, ophængt over skyttegravene.Da der ikke anvendes nogen maske, undgår man kontakt mellem GaN og maskematerialer.

XKHs GaN-på-silicium-wafer

5. Udvikling af epitaksiale materialer til kortbølget UV LED

Dette lægger et solidt fundament for UV-exciterede fosforbaserede hvide LED'er. Mange højeffektive fosforer kan exciteres af UV-lys, hvilket giver højere lysudbytte end det nuværende YAG:Ce-system, og dermed forbedrer hvide LED'ers ydeevne.

6. Multi-Quantum Well (MQW) Chipteknologi

I MQW-strukturer dopes forskellige urenheder under væksten af det lysudstrålende lag for at skabe varierende kvantebrønde. Rekombinationen af fotoner, der udsendes fra disse brønde, producerer hvidt lys direkte. Denne metode forbedrer lyseffektiviteten, reducerer omkostningerne og forenkler pakning og kredsløbsstyring, selvom den præsenterer større tekniske udfordringer.

7. Udvikling af "Fotongenbrugs"-teknologi

I januar 1999 udviklede det japanske selskab Sumitomo en hvid LED ved hjælp af ZnSe-materiale. Teknologien involverer at dyrke en tynd CdZnSe-film på et ZnSe-enkeltkrystalsubstrat. Når filmen elektrificeres, udsender den blåt lys, som interagerer med ZnSe-substratet for at producere komplementært gult lys, hvilket resulterer i hvidt lys. Tilsvarende stablede Boston Universitys Photonics Research Center en AlInGaP-halvlederforbindelse på en blå GaN-LED for at generere hvidt lys.

8. LED epitaksialt wafer-procesflow

① Fremstilling af epitaksial wafer:
Substrat → Strukturdesign → Bufferlagvækst → N-type GaN-lagvækst → MQW lysemitterende lagvækst → P-type GaN-lagvækst → Udglødning → Testning (fotoluminescens, røntgen) → Epitaksial wafer

② Chipfremstilling:
Epitaksial wafer → Maskedesign og -fremstilling → Fotolitografi → Ionætsning → N-type elektrode (aflejring, udglødning, ætsning) → P-type elektrode (aflejring, udglødning, ætsning) → Udskæring → Spåninspektion og -gradering.

ZMSHs GaN-på-SiC-wafer