З принципу роботи світлодіодів очевидно, що епітаксіальний матеріал пластини є основним компонентом світлодіода. Фактично, ключові оптоелектронні параметри, такі як довжина хвилі, яскравість та пряма напруга, значною мірою визначаються епітаксіальним матеріалом. Технологія та обладнання епітаксіальних пластин мають вирішальне значення для виробничого процесу, причому металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD) є основним методом вирощування тонких монокристалічних шарів сполук III-V, II-VI та їх сплавів. Нижче наведено деякі майбутні тенденції в технології епітаксіальних пластин світлодіодів.
1. Удосконалення двоетапного процесу зростання
Наразі комерційне виробництво використовує двоетапний процес вирощування, але кількість підкладок, які можна завантажити одночасно, обмежена. Хоча системи з 6 пластин є зрілими, машини, що обробляють близько 20 пластин, все ще перебувають у стадії розробки. Збільшення кількості пластин часто призводить до недостатньої однорідності епітаксіальних шарів. Майбутні розробки будуть зосереджені у двох напрямках:
- Розробка технологій, що дозволяють завантажувати більше субстратів в одну реакційну камеру, що робить їх більш придатними для великомасштабного виробництва та зниження витрат.
- Удосконалення високоавтоматизованого, повторюваного обладнання для виробництва окремих пластин.
2. Технологія гідридної парофазної епітаксії (HVPE)
Ця технологія дозволяє швидко вирощувати товсті плівки з низькою щільністю дислокацій, які можуть служити підкладками для гомоепітаксіального росту за допомогою інших методів. Крім того, плівки GaN, відокремлені від підкладки, можуть стати альтернативою об'ємним монокристалічним чіпам GaN. Однак HVPE має недоліки, такі як складність точного контролю товщини та агресивні реакційні гази, що перешкоджають подальшому підвищенню чистоти матеріалу GaN.
легований кремнієм HVPE-GaN
(a) Структура реактора HVPE-GaN, легованого кремнієм; (b) Зображення HVPE-GaN, легованого кремнієм, товщиною 800 мкм;
(c) Розподіл концентрації вільних носіїв заряду вздовж діаметра легованого Si HVPE-GaN
3. Технологія селективного епітаксіального росту або латерального епітаксіального росту
Ця методика може додатково зменшити щільність дислокацій та покращити якість кристалів епітаксіальних шарів GaN. Процес включає:
- Нанесення шару GaN на відповідну підкладку (сапфір або SiC).
- Нанесення зверху шару полікристалічної маски SiO₂.
- Використання фотолітографії та травлення для створення вікон GaN та маскувальних смужок SiO₂.Під час подальшого зростання GaN спочатку зростає вертикально у вікнах, а потім латерально по смужках SiO₂.
Пластина GaN на сапфірі від XKH
4. Технологія пендео-епітаксії
Цей метод значно зменшує дефекти кристалічної решітки, спричинені невідповідністю решітки та тепла між підкладкою та епітаксійним шаром, що ще більше покращує якість кристалів GaN. Етапи включають:
- Вирощування епітаксіального шару GaN на відповідній підкладці (6H-SiC або Si) за допомогою двостадійного процесу.
- Виконання селективного травлення епітаксіального шару аж до підкладки, створюючи чергуючі стовпчасті (GaN/буфер/підкладка) та траншейні структури.
- Зростання додаткових шарів GaN, які простягаються латерально від бічних стінок оригінальних стовпів GaN, підвішених над траншеями.Оскільки маска не використовується, це дозволяє уникнути контакту між GaN та матеріалами маски.
Пластина GaN на кремнії від XKH
5. Розробка епітаксіальних матеріалів для короткохвильових ультрафіолетових світлодіодів
Це закладає міцну основу для білих світлодіодів на основі люмінофора з УФ-збудженням. Багато високоефективних люмінофорів можуть збуджуватися УФ-світлом, забезпечуючи вищу світлову ефективність, ніж сучасна система YAG:Ce, тим самим покращуючи продуктивність білих світлодіодів.
6. Технологія мікросхем з багатоквантовими свердловинами (MQW)
У структурах MQW різні домішки легуються під час росту світловипромінюючого шару для створення різних квантових ям. Рекомбінація фотонів, що випромінюються з цих ям, безпосередньо утворює біле світло. Цей метод покращує світлову ефективність, знижує витрати та спрощує упаковку та керування схемою, хоча й створює більші технічні труднощі.
7. Розробка технології «Переробка фотонів»
У січні 1999 року японська компанія Sumitomo розробила білий світлодіод з використанням матеріалу ZnSe. Технологія передбачає вирощування тонкої плівки CdZnSe на монокристалічній підкладці ZnSe. При електризації плівка випромінює синє світло, яке взаємодіє з підкладкою ZnSe, створюючи комплементарне жовте світло, що призводить до білого світла. Аналогічно, Науково-дослідний центр фотоніки Бостонського університету помістив напівпровідниковий компонент AlInGaP на синій GaN-світлодіод для генерації білого світла.
8. Процес епітаксіальної пластини на світлодіодах
① Виготовлення епітаксіальної пластини:
Підкладка → Структурне проектування → Зростання буферного шару → Зростання шару N-типу GaN → Зростання світловипромінюючого шару MQW → Зростання шару P-типу GaN → Відпал → Тестування (фотолюмінесценція, рентгенівське випромінювання) → Епітаксіальна пластина
② Виготовлення мікросхем:
Епітаксіальна пластина → Розробка та виготовлення маски → Фотолітографія → Іонне травлення → N-електрод (осадження, відпал, травлення) → P-електрод (осадження, відпал, травлення) → Нарізка → Контроль та сортування чіпа.
Пластина GaN на SiC від ZMSH
Час публікації: 25 липня 2025 р.