LED-epitaksiaalisten kiekkojen tekniset periaatteet ja prosessit

LEDien toimintaperiaatteesta käy ilmi, että epitaksiaalinen kiekkomateriaali on LEDin ydinosa. Itse asiassa keskeiset optoelektroniset parametrit, kuten aallonpituus, kirkkaus ja etujännite, määräytyvät pitkälti epitaksiaalisen materiaalin perusteella. Epitaksiaalisen kiekon teknologia ja laitteet ovat kriittisiä valmistusprosessille, ja metalli-orgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus (MOCVD) on ensisijainen menetelmä ohuiden yksikidekerrosten kasvattamiseen III-V- ja II-VI-yhdisteistä ja niiden seoksista. Alla on joitakin tulevaisuuden trendejä LEDien epitaksiaalisen kiekkoteknologiassa.

1. Kaksivaiheisen kasvuprosessin parantaminen

Tällä hetkellä kaupallisessa tuotannossa käytetään kaksivaiheista kasvatusprosessia, mutta kerralla ladattavien substraattien määrä on rajallinen. Vaikka 6 kiekon järjestelmät ovat kypsiä, noin 20 kiekon käsittelyyn tarkoitetut koneet ovat vielä kehitteillä. Kiekkojen määrän lisääminen johtaa usein epitaksiaalisten kerrosten riittämättömään tasaisuuteen. Tuleva kehitys keskittyy kahteen suuntaan:

• Kehitetään teknologioita, jotka mahdollistavat useampien substraattien lataamisen yhteen reaktiokammioon, mikä tekee niistä sopivampia laajamittaiseen tuotantoon ja kustannusten alentamiseen.
• Pitkälle automatisoitujen, toistettavien yksittäisten kiekkojen laitteiden kehittäminen.

2. Hydridihöyryfaasiepitaksia (HVPE) -tekniikka

Tämä teknologia mahdollistaa paksujen, dislokaatiotiheydeltään pienten kalvojen nopean kasvun, jotka voivat toimia substraatteina homoepitaksiaaliselle kasvulle muilla menetelmillä. Lisäksi substraatista erotetut GaN-kalvot voivat olla vaihtoehtoja massatuotantoisille GaN-yksikidesiruille. HVPE:llä on kuitenkin haittoja, kuten vaikeus tarkassa paksuuden hallinnassa ja syövyttävät reaktiokaasut, jotka estävät GaN-materiaalin puhtauden parantamisen entisestään.

Si-dopattu HVPE-GaN

(a) Si-dopatun HVPE-GaN-reaktorin rakenne; (b) Kuva 800 μm paksusta Si-dopatusta HVPE-GaN:sta;

(c) Vapaiden kantoaineiden pitoisuuden jakautuminen Si-dopatun HVPE-GaN:n halkaisijan suuntaisesti

3. Selektiivinen epitaksiaalinen kasvatus tai lateraalinen epitaksiaalinen kasvatustekniikka

Tämä tekniikka voi edelleen vähentää dislokaatiotiheyttä ja parantaa GaN-epitaksiaalikerrosten kidelaatua. Prosessi käsittää:

• GaN-kerroksen kerrostaminen sopivalle alustalle (safiiri tai piikarbidi).
• Polykiteisen SiO₂-maskikerroksen kerrostaminen päälle.
• GaN-ikkunoiden ja SiO₂-maskinauhojen luominen fotolitografian ja etsauksen avulla.Seuraavan kasvun aikana GaN kasvaa ensin pystysuunnassa ikkunoissa ja sitten sivusuunnassa SiO₂-nauhojen yli.

XKH:n GaN-on-Sapphire-kiekko

4. Pendeo-epitaksian teknologia

Tämä menetelmä vähentää merkittävästi substraatin ja epitaksiaalikerroksen välisen hila- ja lämpöepäsuhdan aiheuttamia hilavirheitä, mikä parantaa entisestään GaN-kiteiden laatua. Menetelmän vaiheet sisältävät:

• GaN-epitaksiaalisen kerroksen kasvattaminen sopivalle alustalle (6H-SiC tai Si) kaksivaiheisella prosessilla.
• Epitaksiaalikerroksen valikoiva etsaus substraattiin asti, jolloin luodaan vuorottelevat pilari- (GaN/puskuri/substraatti) ja urarakenteet.
• Kasvavat lisää GaN-kerroksia, jotka ulottuvat sivusuunnassa alkuperäisten GaN-pilarien sivuseinistä ja ovat ripustettuina kaivantojen päälle.Koska maskia ei käytetä, vältetään GaN:n ja maskimateriaalien välinen kosketus.

XKH:n GaN-on-Silicon-kiekko

5. Lyhytaallonpituisten UV-LED-epitaksiaalisten materiaalien kehittäminen

Tämä luo vankan pohjan UV-virittyville fosforipohjaisille valkoisille LEDeille. Monet tehokkaat fosforit voidaan virittää UV-valolla, mikä tarjoaa paremman valotehokkuuden kuin nykyinen YAG:Ce-järjestelmä ja parantaa siten valkoisten LEDien suorituskykyä.

6. Monikvanttikaivon (MQW) siruteknologia

MQW-rakenteissa valoa emittoivan kerroksen kasvun aikana seostetaan erilaisia epäpuhtauksia, jolloin syntyy vaihtelevia kvanttikaivoja. Näistä kaivoista lähtevien fotonien rekombinaatio tuottaa suoraan valkoista valoa. Tämä menetelmä parantaa valotehokkuutta, alentaa kustannuksia ja yksinkertaistaa pakkausta ja piirien ohjausta, vaikka se tuokin suurempia teknisiä haasteita.

7. ”Fotonikierrätys”-teknologian kehittäminen

Japanilainen Sumitomo kehitti tammikuussa 1999 valkoisen LEDin käyttäen ZnSe-materiaalia. Teknologiassa kasvatetaan CdZnSe-ohutkalvo ZnSe-yksikidealustalle. Sähköistettäessä kalvo lähettää sinistä valoa, joka vuorovaikuttaa ZnSe-alustan kanssa ja tuottaa komplementaarista keltaista valoa, mikä johtaa valkoiseen valoon. Samoin Bostonin yliopiston fotoniikan tutkimuskeskus pinosi AlInGaP-puolijohdeyhdisteen sinisen GaN-LEDin päälle tuottaakseen valkoista valoa.

8. LED-epitaksiaalisen kiekon prosessivirta

① Epitaksiaalisen kiekon valmistus:
Alusta → Rakennesuunnittelu → Puskurikerroksen kasvu → N-tyypin GaN-kerroksen kasvu → MQW-valoa emittoiva kerroksen kasvu → P-tyypin GaN-kerroksen kasvu → Hehkutus → Testaus (fotoluminesenssi, röntgen) → Epitaksiaalinen kiekko

② Sirun valmistus:
Epitaksiaalinen kiekko → Maskin suunnittelu ja valmistus → Fotolitografia → Ionietsaus → N-tyypin elektrodi (pinnoitus, hehkutus, etsaus) → P-tyypin elektrodi (pinnoitus, hehkutus, etsaus) → Kuutiointi → Sirun tarkastus ja lajittelu.

ZMSH:n GaN-on-SiC-kiekko