Uit het werkingsprincipe van LED's blijkt duidelijk dat het epitaxiale wafermateriaal de kerncomponent van een LED vormt. Sterker nog, belangrijke opto-elektronische parameters zoals golflengte, helderheid en voorwaartse spanning worden grotendeels bepaald door het epitaxiale materiaal. Epitaxiale wafertechnologie en -apparatuur zijn cruciaal voor het productieproces, waarbij Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) de belangrijkste methode is voor het kweken van dunne enkelkristallijne lagen van III-V-, II-VI-verbindingen en hun legeringen. Hieronder volgen enkele toekomstige trends in LED-epitaxiale wafertechnologie.
1. Verbetering van het tweestapsgroeiproces
Momenteel wordt bij commerciële productie gebruikgemaakt van een tweestaps groeiproces, maar het aantal substraten dat tegelijkertijd kan worden geladen is beperkt. Hoewel systemen met 6 wafers al goed ontwikkeld zijn, zijn machines die ongeveer 20 wafers verwerken nog in ontwikkeling. Het verhogen van het aantal wafers leidt vaak tot onvoldoende uniformiteit in de epitaxiale lagen. Toekomstige ontwikkelingen zullen zich richten op twee richtingen:
- Het ontwikkelen van technologieën die het mogelijk maken om meer substraten in één reactiekamer te laden, waardoor ze geschikter worden voor grootschalige productie en kostenbesparingen opleveren.
- Het verder ontwikkelen van sterk geautomatiseerde, reproduceerbare apparatuur voor afzonderlijke wafers.
2. Hydride dampfase-epitaxie (HVPE)-technologie
Deze technologie maakt de snelle groei van dikke films met een lage dislocatiedichtheid mogelijk, die kunnen dienen als substraten voor homo-epitaxiale groei met behulp van andere methoden. Bovendien kunnen GaN-films die van het substraat zijn gescheiden, een alternatief vormen voor GaN-chips van massief monokristallijn materiaal. HVPE kent echter ook nadelen, zoals de moeilijkheid om de dikte nauwkeurig te regelen en corrosieve reactiegassen die verdere verbetering van de zuiverheid van het GaN-materiaal belemmeren.
Si-gedoteerd HVPE-GaN
(a) Structuur van een Si-gedoteerde HVPE-GaN-reactor; (b) Afbeelding van een 800 μm dikke Si-gedoteerde HVPE-GaN-laag;
(c) Verdeling van de concentratie vrije ladingsdragers langs de diameter van Si-gedoteerd HVPE-GaN
3. Selectieve epitaxiale groei of laterale epitaxiale groeitechnologie
Deze techniek kan de dislocatiedichtheid verder verlagen en de kristalkwaliteit van GaN-epitaxiale lagen verbeteren. Het proces omvat:
- Het aanbrengen van een GaN-laag op een geschikt substraat (saffier of SiC).
- Het aanbrengen van een polykristallijne SiO₂-maskerlaag erbovenop.
- 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.
XKH's GaN-op-Saffier wafer
4. Pendeo-epitaxietechnologie
Deze methode vermindert aanzienlijk roosterdefecten die worden veroorzaakt door rooster- en thermische mismatch tussen het substraat en de epitaxiale laag, waardoor de kristalkwaliteit van GaN verder wordt verbeterd. De stappen omvatten:
- Het laten groeien van een epitaxiale GaN-laag op een geschikt substraat (6H-SiC of Si) met behulp van een tweestaps proces.
- Door selectief etsen van de epitaxiale laag tot aan het substraat, ontstaan afwisselende pilaar- (GaN/buffer/substraat) en sleufstructuren.
- Het laten groeien van extra GaN-lagen, die zich zijdelings uitstrekken vanaf de zijwanden van de oorspronkelijke GaN-pilaren, die boven de sleuven hangen.Doordat er geen masker wordt gebruikt, wordt contact tussen GaN en het maskermateriaal vermeden.
XKH's GaN-op-silicium wafer
5. Ontwikkeling van epitaxiale materialen voor UV-LED's met korte golflengte
Dit legt een solide basis voor UV-geëxciteerde fosforgebaseerde witte LED's. Veel zeer efficiënte fosforen kunnen door UV-licht worden geëxciteerd, waardoor ze een hogere lichtopbrengst bieden dan het huidige YAG:Ce-systeem en de prestaties van witte LED's verbeteren.
6. Multi-Quantum Well (MQW) chiptechnologie
Bij MQW-structuren worden tijdens de groei van de lichtemitterende laag verschillende onzuiverheden toegevoegd om variërende kwantumputten te creëren. De recombinatie van fotonen die uit deze putten worden uitgezonden, produceert direct wit licht. Deze methode verbetert de lichtopbrengst, verlaagt de kosten en vereenvoudigt de verpakking en de circuitbesturing, hoewel het grotere technische uitdagingen met zich meebrengt.
7. Ontwikkeling van de technologie voor "fotonrecycling"
In januari 1999 ontwikkelde het Japanse Sumitomo een witte led met behulp van ZnSe-materiaal. De technologie omvat het laten groeien van een dunne CdZnSe-film op een ZnSe-eenkristalsubstraat. Wanneer de film wordt geëlektrificeerd, zendt deze blauw licht uit, dat reageert met het ZnSe-substraat en complementair geel licht produceert, wat resulteert in wit licht. Op vergelijkbare wijze stapelde het Photonics Research Center van de Boston University een AlInGaP-halfgeleiderverbinding op een blauwe GaN-led om wit licht te genereren.
8. Processtroom voor epitaxiale LED-wafers
① Fabricage van epitaxiale wafers:
Substraat → Structureel ontwerp → Groei van de bufferlaag → Groei van de N-type GaN-laag → Groei van de MQW-lichtemitterende laag → Groei van de P-type GaN-laag → Gloeien → Testen (fotoluminescentie, röntgen) → Epitaxiale wafer
② Chipfabricage:
Epitaxiale wafer → Maskerontwerp en -fabricage → Fotolithografie → Ionetsen → N-type elektrode (afzetting, gloeien, etsen) → P-type elektrode (afzetting, gloeien, etsen) → Dicing → Chipinspectie en -gradering.
ZMSH's GaN-on-SiC wafer
Geplaatst op: 25 juli 2025