LED-epitaksiaalsete vahvlite tehnilised põhimõtted ja protsessid

LED-ide tööpõhimõttest on ilmne, et epitaksiaalne vahvlimaterjal on LED-i põhikomponent. Tegelikult määrab epitaksiaalne materjal suures osas peamised optoelektroonilised parameetrid, nagu lainepikkus, heledus ja päripinge. Epitaksiaalse vahvli tehnoloogia ja seadmed on tootmisprotsessi jaoks kriitilise tähtsusega, kusjuures metall-orgaaniline keemiline aurustamine (MOCVD) on peamine meetod III-V, II-VI ühendite ja nende sulamite õhukeste monokristallkihtide kasvatamiseks. Allpool on toodud mõned LED-epitaksiaalse vahvli tehnoloogia tulevikutrendid.

1. Kaheastmelise kasvuprotsessi täiustamine

Praegu kasutatakse kaubanduslikus tootmises kaheastmelist kasvuprotsessi, kuid korraga laaditavate substraatide arv on piiratud. Kuigi 6-kiibi süsteemid on küpsed, on umbes 20 kiibi käitlevad masinad veel väljatöötamisel. Kiipide arvu suurendamine viib sageli epitaksiaalsete kihtide ebapiisava ühtluseni. Edasised arengud keskenduvad kahele suunale:

• Selliste tehnoloogiate väljatöötamine, mis võimaldavad laadida ühte reaktsioonikambrisse rohkem substraate, muutes need sobivamaks suuremahuliseks tootmiseks ja kulude vähendamiseks.
• Ülimalt automatiseeritud, korratavate ühe vahvliga seadmete edendamine.

2. Hüdriid-aurfaasiepitaksia (HVPE) tehnoloogia

See tehnoloogia võimaldab kiiresti kasvatada pakse ja madala dislokatsioonitihedusega kilesid, mis võivad olla alusmaterjaliks homoepitaksiaalseks kasvuks teiste meetodite abil. Lisaks võivad alusmaterjalist eraldatud GaN-kiled olla alternatiiviks GaN-i monokristallkiipidele. HVPE-l on aga puudusi, näiteks raskused täpse paksuse kontrollimisel ja söövitavad reaktsioonigaasid, mis takistavad GaN-materjali puhtuse edasist parandamist.

Si-legeeritud HVPE-GaN

(a) Si-dopeeritud HVPE-GaN reaktori struktuur; (b) 800 μm paksuse Si-dopeeritud HVPE-GaN-i kujutis;

(c) Vaba laengukandjate kontsentratsiooni jaotus Si-dopeeritud HVPE-GaN läbimõõdu ulatuses

3. Selektiivne epitaksiaalne kasv või külgmine epitaksiaalne kasvutehnoloogia

See meetod võimaldab veelgi vähendada dislokatsioonitihedust ja parandada GaN-i epitaksiaalsete kihtide kristallide kvaliteeti. Protsess hõlmab järgmist:

• GaN-kihi sadestamine sobivale aluspinnale (safiir või SiC).
• Polükristallilise SiO₂ maskikihi pealekandmine.
• GaN-akende ja SiO₂-maskiribade loomine fotolitograafia ja söövituse abil.Järgneva kasvu käigus kasvab GaN esmalt vertikaalselt akendes ja seejärel külgsuunas SiO₂ ribade kohal.

XKH GaN-on-Sapphire vahvel

4. Pendeo-epitaksia tehnoloogia

See meetod vähendab oluliselt võredefekte, mis on põhjustatud aluspinna ja epitaksiaalkihi vahelisest võre- ja termilisest mittevastavusest, parandades veelgi GaN-i kristallide kvaliteeti. Etapid hõlmavad järgmist:

• GaN epitaksiaalse kihi kasvatamine sobivale aluspinnale (6H-SiC või Si) kaheastmelise protsessi abil.
• Epitaksiaalkihi selektiivne söövitamine aluspinnani, luues vahelduvad sammas- (GaN/puhver/aluspind) ja kraavistruktuurid.
• Kasvavad täiendavad GaN-kihid, mis ulatuvad külgsuunas algsete GaN-sammaste külgseintest ja ripuvad kaevikute kohale.Kuna maski ei kasutata, välditakse GaN-i ja maskimaterjalide vahelist kokkupuudet.

XKH GaN-on-Silicon vahvel

5. Lühilainepikkusega UV-LED-epitaksiaalsete materjalide väljatöötamine

See loob kindla aluse UV-ergastavatele fosforipõhistele valgetele LED-idele. Paljusid suure efektiivsusega fosfore saab UV-valgusega ergutada, pakkudes suuremat valgusviljakust kui praegune YAG:Ce-süsteem, parandades seeläbi valgete LED-ide jõudlust.

6. Mitmekvantpuuraugu (MQW) kiibitehnoloogia

MQW struktuurides legeeritakse valgust kiirgava kihi kasvu ajal erinevaid lisandeid, et luua varieeruvaid kvantkaevusid. Nendest kaevudest kiiratavate footonite rekombinatsioon tekitab otse valget valgust. See meetod parandab valgusviljakust, vähendab kulusid ning lihtsustab pakendamist ja vooluringi juhtimist, kuigi see tekitab suuremaid tehnilisi väljakutseid.

7. „Footonite ringlussevõtu” tehnoloogia arendamine

1999. aasta jaanuaris töötas Jaapani ettevõte Sumitomo välja valge LED-i, kasutades ZnSe materjali. Tehnoloogia hõlmab CdZnSe õhukese kile kasvatamist ZnSe monokristalli aluspinnale. Elektrifitseerimisel kiirgab kile sinist valgust, mis interakteerub ZnSe aluspinnaga, tekitades komplementaarset kollast valgust, mille tulemuseks on valge valgus. Samamoodi pani Bostoni Ülikooli fotoonika uurimiskeskus AlInGaP pooljuhtühendi sinisele GaN-LED-ile, et tekitada valget valgust.

8. LED-epitaksiaalse vahvli protsessivoog

① Epitaksiaalse vahvli valmistamine:
Alusmaterjal → Struktuuriline disain → Puhverkihi kasv → N-tüüpi GaN-kihi kasv → MQW valgust kiirgava kihi kasv → P-tüüpi GaN-kihi kasv → Lõõmutamine → Testimine (fotoluminestsents, röntgen) → Epitaksiaalne vahvel

② Kiibi valmistamine:
Epitaksiaalne vahvel → Maski disain ja valmistamine → Fotolitograafia → Ioonsöövitus → N-tüüpi elektrood (sadestamine, lõõmutamine, söövitamine) → P-tüüpi elektrood (sadestamine, lõõmutamine, söövitamine) → Tükeldamine → Kiibi kontroll ja sortimine.

ZMSH GaN-onSiC vahvel