Technische principes en processen van LED-epitaxiale wafers

Uit het werkingsprincipe van leds blijkt dat het epitaxiale wafermateriaal de kerncomponent van een led is. Belangrijke opto-elektronische parameters zoals golflengte, helderheid en doorlaatspanning worden grotendeels bepaald door het epitaxiale materiaal. Epitaxiale wafertechnologie en -apparatuur zijn cruciaal voor het productieproces, waarbij metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) de belangrijkste methode is voor het kweken van dunne monokristallijne lagen van III-V-, II-VI-verbindingen en hun legeringen. Hieronder vindt u enkele toekomstige trends in epitaxiale wafertechnologie voor leds.

1. Verbetering van het tweestapsgroeiproces

Momenteel maakt commerciële productie gebruik van een groeiproces in twee stappen, maar het aantal substraten dat tegelijkertijd kan worden geladen, is beperkt. Hoewel systemen met 6 wafers volwassen zijn, zijn machines die ongeveer 20 wafers verwerken nog in ontwikkeling. Een toename van het aantal wafers leidt vaak tot onvoldoende uniformiteit in epitaxiale lagen. Toekomstige ontwikkelingen zullen zich richten op twee richtingen:

• Ontwikkeling van technologieën waarmee meer substraten in één reactiekamer kunnen worden geladen, waardoor ze geschikter worden voor productie op grote schaal en kostenbesparingen opleveren.
• Geavanceerde, sterk geautomatiseerde, herhaalbare enkel-wafer apparatuur.

2. Hydride-dampfase-epitaxie (HVPE)-technologie

Deze technologie maakt snelle groei van dikke films met een lage dislocatiedichtheid mogelijk, die kunnen dienen als substraat voor homo-epitaxiale groei met behulp van andere methoden. Bovendien kunnen GaN-films die van het substraat gescheiden zijn, alternatieven vormen voor bulk GaN-monokristalchips. HVPE heeft echter nadelen, zoals een lastige nauwkeurige diktecontrole en corrosieve reactiegassen die verdere verbetering van de zuiverheid van het GaN-materiaal belemmeren.

Si-gedopeerde HVPE-GaN

(a) Structuur van Si-gedoteerde HVPE-GaN-reactor; (b) Afbeelding van 800 μm dikke Si-gedoteerde HVPE-GaN;

(c) Verdeling van de concentratie van vrije dragers langs de diameter van Si-gedoteerde HVPE-GaN

3. Selectieve epitaxiale groei of laterale epitaxiale groeitechnologie

Deze techniek kan de dislocatiedichtheid verder verminderen en de kristalkwaliteit van GaN-epitaxiale lagen verbeteren. Het proces omvat:

• Het aanbrengen van een GaN-laag op een geschikt substraat (saffier of SiC).
• Een polykristallijne SiO₂-maskerlaag wordt er bovenop aangebracht.
• Met behulp van fotolithografie en etsen worden GaN-vensters en SiO₂-maskerstroken gemaakt.Tijdens de daaropvolgende groei groeit GaN eerst verticaal in de vensters en vervolgens lateraal over de SiO₂-stroken.

De GaN-op-saffierwafer van XKH

4. Pendeo-epitaxietechnologie

Deze methode vermindert roosterdefecten die worden veroorzaakt door rooster- en thermische mismatch tussen het substraat en de epitaxiale laag aanzienlijk, waardoor de kwaliteit van het GaN-kristal verder wordt verbeterd. De stappen omvatten:

• Het laten groeien van een GaN epitaxiale laag op een geschikt substraat (6H-SiC of Si) met behulp van een proces in twee stappen.
• Selectief etsen van de epitaxiale laag tot op het substraat, waardoor afwisselende pilaar- (GaN/buffer/substraat) en sleufstructuren ontstaan.
• Het laten groeien van extra GaN-lagen, die zich zijdelings uitstrekken vanaf de zijwanden van de oorspronkelijke GaN-pilaren, opgehangen boven de sleuven.Omdat er geen masker wordt gebruikt, wordt contact tussen GaN en maskermaterialen vermeden.

De GaN-op-silicium wafer van XKH

5. Ontwikkeling van epitaxiale materialen voor UV-LED's met korte golflengte

Dit legt een solide basis voor UV-geëxciteerde fosforgebaseerde witte leds. Veel hoogefficiënte fosforen kunnen worden geëxciteerd door UV-licht, wat een hogere lichtopbrengst biedt dan het huidige YAG:Ce-systeem, wat de prestaties van witte leds verbetert.

6. Multi-Quantum Well (MQW) chiptechnologie

In MQW-structuren worden tijdens de groei van de lichtgevende laag verschillende onzuiverheden gedoteerd om variërende kwantumputten te creëren. De recombinatie van fotonen die door deze putten worden uitgezonden, produceert direct wit licht. Deze methode verbetert de lichtopbrengst, verlaagt de kosten en vereenvoudigt de verpakking en schakelingscontrole, maar brengt wel grotere technische uitdagingen met zich mee.

7. Ontwikkeling van de technologie voor ‘fotonenrecycling’

In januari 1999 ontwikkelde het Japanse Sumitomo een witte led met behulp van ZnSe-materiaal. De technologie bestaat uit het kweken van een dunne CdZnSe-film op een ZnSe-monokristalsubstraat. Wanneer de film onder stroom staat, zendt deze blauw licht uit, dat met het ZnSe-substraat interageert om complementair geel licht te produceren, wat resulteert in wit licht. Op vergelijkbare wijze heeft het Photonics Research Center van Boston University een AlInGaP-halfgeleiderverbinding op een blauwe GaN-led gestapeld om wit licht te genereren.

8. LED Epitaxiale Wafer Processtroom

① Epitaxiale waferfabricage:
Substraat → Structureel ontwerp → Groei van de bufferlaag → Groei van de N-type GaN-laag → Groei van de MQW-lichtgevende laag → Groei van de P-type GaN-laag → Gloeien → Testen (fotoluminescentie, röntgenstraling) → Epitaxiale wafer

② Chipfabricage:
Epitaxiale wafer → Maskerontwerp en -fabricage → Fotolithografie → Ionenetsen → N-type elektrode (afzetting, gloeien, etsen) → P-type elektrode (afzetting, gloeien, etsen) → Snijden → Chipinspectie en -gradering.

De GaN-op-SiC-wafer van ZMSH