Tehnična načela in postopki epitaksialnih rezin LED

Iz principa delovanja LED diod je razvidno, da je epitaksialni material rezin osrednja komponenta LED diode. Pravzaprav so ključni optoelektronski parametri, kot so valovna dolžina, svetlost in napetost, v veliki meri določeni z epitaksialnim materialom. Tehnologija in oprema epitaksialnih rezin sta ključni za proizvodni proces, pri čemer je kovinsko-organsko kemično nanašanje iz parne faze (MOCVD) primarna metoda za rast tankih monokristalnih plasti spojin III-V, II-VI in njihovih zlitin. Spodaj so navedeni nekateri prihodnji trendi v tehnologiji epitaksialnih rezin LED.

1. Izboljšanje dvostopenjskega procesa rasti

Trenutno komercialna proizvodnja uporablja dvostopenjski postopek rasti, vendar je število substratov, ki jih je mogoče hkrati naložiti, omejeno. Medtem ko so sistemi s 6 rezinami zreli, so stroji, ki obdelujejo približno 20 rezin, še vedno v razvoju. Povečanje števila rezin pogosto vodi do nezadostne enakomernosti epitaksialnih plasti. Prihodnji razvoj se bo osredotočil na dve smeri:

• Razvoj tehnologij, ki omogočajo nalaganje več substratov v eno samo reakcijsko komoro, zaradi česar so primernejše za obsežno proizvodnjo in zmanjšanje stroškov.
• Napredek visoko avtomatizirane, ponovljive opreme za izdelavo posameznih rezin.

2. Tehnologija epitaksije s hidridno parno fazo (HVPE)

Ta tehnologija omogoča hitro rast debelih filmov z nizko gostoto dislokacij, ki lahko služijo kot substrati za homoepitaksialno rast z uporabo drugih metod. Poleg tega lahko filmi GaN, ločeni od substrata, postanejo alternativa monokristalnim čipom GaN v razsutem stanju. Vendar ima HVPE pomanjkljivosti, kot so težave pri natančnem nadzoru debeline in korozivni reakcijski plini, ki ovirajo nadaljnje izboljšanje čistosti materiala GaN.

Si-dopiran HVPE-GaN

(a) Struktura reaktorja HVPE-GaN, dopiranega s silicijem; (b) Slika 800 μm debelega HVPE-GaN, dopiranega s silicijem;

(c) Porazdelitev koncentracije prostih nosilcev vzdolž premera HVPE-GaN, dopiranega s Si

3. Tehnologija selektivne epitaksialne rasti ali lateralne epitaksialne rasti

Ta tehnika lahko dodatno zmanjša gostoto dislokacij in izboljša kakovost kristalov epitaksialnih plasti GaN. Postopek vključuje:

• Nanos plasti GaN na primeren substrat (safir ali SiC).
• Nanos polikristalne maske iz SiO₂ na vrh.
• Uporaba fotolitografije in jedkanja za izdelavo GaN oken in SiO₂ masknih trakov.Med nadaljnjo rastjo GaN najprej raste navpično v oknih in nato bočno čez trakove SiO₂.

XKH-jeva GaN-na-safirni rezini

4. Tehnologija pendeo-epitaksije

Ta metoda znatno zmanjša napake v kristalni mreži, ki jih povzroča neusklajenost v kristalni mreži in toplota med substratom in epitaksialno plastjo, kar dodatno izboljša kakovost kristalov GaN. Koraki vključujejo:

• Gojenje epitaksialne plasti GaN na ustreznem substratu (6H-SiC ali Si) z uporabo dvostopenjskega postopka.
• Izvajanje selektivnega jedkanja epitaksialne plasti vse do substrata, pri čemer se ustvarijo izmenične stebrične (GaN/pufer/substrat) in jarkovne strukture.
• Rast dodatnih plasti GaN, ki se raztezajo bočno od stranskih sten prvotnih stebrov GaN, obešenih nad jarki.Ker se ne uporablja maska, se s tem izognemo stiku med GaN in materiali maske.

XKH-jeva GaN-na-silicijevem rezincu

5. Razvoj epitaksialnih materialov za kratkovalovne UV LED diode

To postavlja trdne temelje za bele LED diode na osnovi fosforja, vzbujene z UV-svetlobo. Številne visoko učinkovite fosforje je mogoče vzbujati z UV-svetlobo, kar ponuja večjo svetlobno učinkovitost kot trenutni sistem YAG:Ce, s čimer se izboljša zmogljivost belih LED diod.

6. Tehnologija čipov z večkvantnimi vrtinami (MQW)

V MQW strukturah se med rastjo svetleče plasti dopirajo različne nečistoče, da se ustvarijo različne kvantne jamice. Rekombinacija fotonov, ki jih oddajajo te jamice, neposredno proizvaja belo svetlobo. Ta metoda izboljša svetlobni izkoristek, zmanjša stroške ter poenostavi pakiranje in krmiljenje vezij, čeprav predstavlja večje tehnične izzive.

7. Razvoj tehnologije »recikliranja fotonov«

Januarja 1999 je japonsko podjetje Sumitomo razvilo belo LED diodo z uporabo materiala ZnSe. Tehnologija vključuje gojenje tanke plasti CdZnSe na monokristalnem substratu ZnSe. Ko je elektrificirana, plast oddaja modro svetlobo, ki interagira s substratom ZnSe in ustvari komplementarno rumeno svetlobo, kar ima za posledico belo svetlobo. Podobno je Raziskovalni center za fotoniko Univerze v Bostonu naložil polprevodniško spojino AlInGaP na modro GaN-LED diodo, da bi ustvaril belo svetlobo.

8. Postopek epitaksialne rezine LED

① Izdelava epitaksialnih rezin:
Substrat → Strukturna zasnova → Rast puferske plasti → Rast plasti GaN tipa N → Rast svetleče plasti MQW → Rast plasti GaN tipa P → Žarjenje → Testiranje (fotoluminiscenca, rentgenski žarki) → Epitaksialna rezina

② Izdelava čipov:
Epitaksialna rezina → Zasnova in izdelava maske → Fotolitografija → Ionsko jedkanje → Elektroda tipa N (nanašanje, žarjenje, jedkanje) → Elektroda tipa P (nanašanje, žarjenje, jedkanje) → Rezanje na kocke → Pregled in razvrščanje čipov.

ZMSH-jeva GaN-na-SiC rezina