Principis tècnics i processos de les oblies epitaxials LED

A partir del principi de funcionament dels LED, és evident que el material de l'oblia epitaxial és el component central d'un LED. De fet, els paràmetres optoelectrònics clau, com ara la longitud d'ona, la brillantor i el voltatge directe, estan determinats en gran mesura pel material epitaxial. La tecnologia i l'equip d'oblies epitaxials són crítics per al procés de fabricació, i la deposició química de vapor metall-orgànic (MOCVD) és el mètode principal per al creixement de capes primes de monocristall de compostos III-V, II-VI i els seus aliatges. A continuació es mostren algunes tendències futures en la tecnologia d'oblies epitaxials de LED.

1. Millora del procés de creixement en dos passos

Actualment, la producció comercial utilitza un procés de creixement en dos passos, però el nombre de substrats que es poden carregar alhora és limitat. Tot i que els sistemes de 6 oblies són madurs, les màquines que gestionen al voltant de 20 oblies encara estan en desenvolupament. Augmentar el nombre d'oblies sovint condueix a una uniformitat insuficient en les capes epitaxials. Els desenvolupaments futurs se centraran en dues direccions:

• Desenvolupar tecnologies que permetin carregar més substrats en una sola cambra de reacció, fent-les més adequades per a la producció a gran escala i la reducció de costos.
• Equipament avançat d'oblia única altament automatitzat i repetible.

2. Tecnologia d'epitàxia en fase de vapor d'hidrur (HVPE)

Aquesta tecnologia permet un creixement ràpid de pel·lícules gruixudes amb baixa densitat de dislocacions, que poden servir com a substrats per al creixement homoepitaxial utilitzant altres mètodes. A més, les pel·lícules de GaN separades del substrat poden convertir-se en alternatives als xips monocristallins de GaN a granel. Tanmateix, l'HVPE té inconvenients, com ara la dificultat per controlar el gruix amb precisió i els gasos de reacció corrosius que dificulten una millora addicional de la puresa del material GaN.

HVPE-GaN dopat amb Si

(a) Estructura del reactor HVPE-GaN dopat amb Si; (b) Imatge de HVPE-GaN dopat amb Si de 800 μm de gruix;

(c) Distribució de la concentració de portadors lliures al llarg del diàmetre de HVPE-GaN dopat amb Si

3. Tecnologia de creixement epitaxial selectiu o de creixement epitaxial lateral

Aquesta tècnica pot reduir encara més la densitat de dislocacions i millorar la qualitat cristal·lina de les capes epitaxials de GaN. El procés implica:

• Dipositar una capa de GaN sobre un substrat adequat (safir o SiC).
• Dipositant una capa de màscara policristal·lina de SiO₂ a la part superior.
• Ús de fotolitografia i gravat per crear finestres de GaN i tires de màscara de SiO₂.Durant el creixement posterior, el GaN primer creix verticalment a les finestres i després lateralment sobre les tires de SiO₂.

Oblia de GaN sobre safir de XKH

4. Tecnologia Pendeo-Epitaxial

Aquest mètode redueix significativament els defectes de xarxa causats per la xarxa i la discrepància tèrmica entre el substrat i la capa epitaxial, millorant encara més la qualitat del cristall de GaN. Els passos inclouen:

• Cultivar una capa epitaxial de GaN sobre un substrat adequat (6H-SiC o Si) mitjançant un procés de dos passos.
• Realització d'un gravat selectiu de la capa epitaxial fins al substrat, creant estructures alternes de pilars (GaN/tampó/substrat) i trinxeres.
• Creixent capes addicionals de GaN, que s'estenen lateralment des de les parets laterals dels pilars originals de GaN, suspeses sobre les trinxeres.Com que no s'utilitza cap màscara, això evita el contacte entre el GaN i els materials de la màscara.

Oblia de GaN sobre silici de XKH

5. Desenvolupament de materials epitaxials LED UV de longitud d'ona curta

Això estableix una base sòlida per als LED blancs basats en fòsfor excitats per UV. Molts fòsfors d'alta eficiència poden ser excitats per llum UV, oferint una eficiència lluminosa més alta que el sistema YAG:Ce actual, millorant així el rendiment dels LED blancs.

6. Tecnologia de xips multi-quàntics (MQW)

En les estructures MQW, es dopen diferents impureses durant el creixement de la capa emissora de llum per crear pous quàntics variables. La recombinació dels fotons emesos per aquests pous produeix llum blanca directament. Aquest mètode millora l'eficiència lluminosa, redueix els costos i simplifica l'empaquetament i el control dels circuits, tot i que presenta reptes tècnics més grans.

7. Desenvolupament de la tecnologia de “reciclatge de fotons”

El gener de 1999, la japonesa Sumitomo va desenvolupar un LED blanc utilitzant material ZnSe. La tecnologia consisteix a fer créixer una pel·lícula fina de CdZnSe sobre un substrat monocristallí de ZnSe. Quan s'electrifica, la pel·lícula emet llum blava, que interactua amb el substrat de ZnSe per produir llum groga complementària, donant lloc a llum blanca. De la mateixa manera, el Centre de Recerca Fotònica de la Universitat de Boston va apilar un compost semiconductor d'AlInGaP sobre un LED de GaN blau per generar llum blanca.

8. Flux del procés de la oblia epitaxial LED

① Fabricació de làmines epitaxials:
Substrat → Disseny estructural → Creixement de la capa tampó → Creixement de la capa de GaN de tipus N → Creixement de la capa emissora de llum MQW → Creixement de la capa de GaN de tipus P → Recuit → Proves (fotoluminescència, raigs X) → Oblia epitaxial

② Fabricació de xips:
Oblia epitaxial → Disseny i fabricació de màscares → Fotolitografia → Gravat iònic → Elèctrode de tipus N (deposició, recuit, gravat) → Elèctrode de tipus P (deposició, recuit, gravat) → Tall en daus → Inspecció i classificació de xips.

Oblia de GaN sobre SiC de ZMSH