Tehnički principi i procesi LED epitaksijalnih pločica

Iz principa rada LED dioda, očigledno je da je materijal epitaksijalne pločice osnovna komponenta LED diode. U stvari, ključni optoelektronski parametri kao što su talasna dužina, sjaj i direktan napon uveliko su određeni epitaksijalnim materijalom. Tehnologija epitaksijalne pločice i oprema su ključni za proces proizvodnje, pri čemu je metal-organsko hemijsko taloženje iz parne faze (MOCVD) primarna metoda za uzgoj tankih monokristalnih slojeva III-V, II-VI jedinjenja i njihovih legura. U nastavku su navedeni neki budući trendovi u tehnologiji epitaksijalne pločice LED dioda.

1. Poboljšanje dvostepenog procesa rasta

Trenutno, komercijalna proizvodnja koristi dvostepeni proces rasta, ali je broj supstrata koji se mogu istovremeno učitati ograničen. Dok su sistemi sa 6 pločica zreli, mašine koje rukuju sa oko 20 pločica su još uvijek u razvoju. Povećanje broja pločica često dovodi do nedovoljne ujednačenosti epitaksijalnih slojeva. Budući razvoj će se fokusirati na dva pravca:

• Razvoj tehnologija koje omogućavaju utovar više supstrata u jednu reakcijsku komoru, što ih čini pogodnijim za proizvodnju velikih razmjera i smanjenje troškova.
• Unapređenje visoko automatizovane, ponovljive opreme za proizvodnju pojedinačnih pločica.

2. Tehnologija epitaksije iz parne faze hidrida (HVPE)

Ova tehnologija omogućava brz rast debelih filmova sa niskom gustinom dislokacija, koji mogu poslužiti kao podloge za homoepitaksijalni rast korištenjem drugih metoda. Osim toga, GaN filmovi odvojeni od podloge mogu postati alternative za velike GaN monokristalne čipove. Međutim, HVPE ima nedostatke, kao što su poteškoće u preciznoj kontroli debljine i korozivni reakcijski plinovi koji ometaju daljnje poboljšanje čistoće GaN materijala.

Si-dopirani HVPE-GaN

(a) Struktura HVPE-GaN reaktora dopiranog Si; (b) Slika HVPE-GaN dopiranog Si debljine 800 μm;

(c) Raspodjela koncentracije slobodnih nosilaca duž prečnika HVPE-GaN dopiranog Si

3. Selektivni epitaksijalni rast ili tehnologija lateralnog epitaksijalnog rasta

Ova tehnika može dodatno smanjiti gustoću dislokacija i poboljšati kvalitet kristala GaN epitaksijalnih slojeva. Proces uključuje:

• Nanošenje GaN sloja na odgovarajuću podlogu (safir ili SiC).
• Nanošenje polikristalnog SiO₂ maskirnog sloja na vrh.
• Korištenje fotolitografije i nagrizanja za stvaranje GaN prozora i SiO₂ maskirnih traka.Tokom naknadnog rasta, GaN prvo raste vertikalno u prozorima, a zatim lateralno preko SiO₂ traka.

XKH-ova GaN-na-safirnoj pločici

4. Pendeo-epitaksija tehnologija

Ova metoda značajno smanjuje defekte rešetke uzrokovane neusklađenošću rešetke i temperature između podloge i epitaksijalnog sloja, dodatno poboljšavajući kvalitet GaN kristala. Koraci uključuju:

• Uzgoj GaN epitaksijalnog sloja na odgovarajućoj podlozi (6H-SiC ili Si) korištenjem dvostepenog procesa.
• Izvođenje selektivnog nagrizanja epitaksijalnog sloja sve do podloge, stvarajući naizmjenične stubaste (GaN/pufer/podloga) i rovne strukture.
• Uzgoj dodatnih GaN slojeva, koji se protežu bočno od bočnih zidova originalnih GaN stubova, obješenih preko rovova.Budući da se ne koristi maska, izbjegava se kontakt između GaN-a i materijala maske.

XKH-ova GaN-na-silicijumskoj pločici

5. Razvoj epitaksijalnih materijala za UV LED diode kratke talasne dužine

Ovo postavlja čvrstu osnovu za bijele LED diode na bazi fosfora pobuđene UV zračenjem. Mnogi visokoefikasni fosfori mogu se pobuđivati UV svjetlošću, nudeći veću svjetlosnu efikasnost od trenutnog YAG:Ce sistema, čime se unapređuju performanse bijelih LED dioda.

6. Tehnologija čipova s višekvantnim bunarima (MQW)

U MQW strukturama, različite nečistoće se dopiraju tokom rasta sloja koji emituje svjetlost kako bi se stvorili različiti kvantni bunari. Rekombinacija fotona emitovanih iz ovih bunara direktno proizvodi bijelu svjetlost. Ova metoda poboljšava svjetlosnu efikasnost, smanjuje troškove i pojednostavljuje pakovanje i kontrolu kola, iako predstavlja veće tehničke izazove.

7. Razvoj tehnologije „recikliranja fotona“

U januaru 1999. godine, japanska kompanija Sumitomo razvila je bijelu LED diodu koristeći ZnSe materijal. Tehnologija uključuje uzgoj tankog filma CdZnSe na ZnSe monokristalnoj podlozi. Kada se naelektriše, film emituje plavu svjetlost, koja interaguje sa ZnSe podlogom i proizvodi komplementarnu žutu svjetlost, što rezultira bijelom svjetlošću. Slično tome, Centar za istraživanje fotonike Univerziteta u Bostonu složio je poluprovodnički spoj AlInGaP na plavu GaN-LED diodu kako bi generirao bijelu svjetlost.

8. Tok procesa LED epitaksijalne pločice

① Izrada epitaksijalne pločice:
Podloga → Strukturni dizajn → Rast međusloja → Rast sloja N-tipa GaN → Rast sloja koji emitira svjetlost MQW → Rast sloja P-tipa GaN → Žarenje → Testiranje (fotoluminiscencija, rendgensko zračenje) → Epitaksijalna pločica

② Izrada čipa:
Epitaksijalna pločica → Dizajn i izrada maske → Fotolitografija → Jonsko nagrizanje → N-tip elektrode (taloženje, žarenje, nagrizanje) → P-tip elektrode (taloženje, žarenje, nagrizanje) → Rezanje → Inspekcija i gradacija čipa.

ZMSH-ova GaN-na-SiC pločica