Principi tecnici e processi dei wafer epitassiali a LED

Dal principio di funzionamento dei LED, è evidente che il materiale del wafer epitassiale è il componente principale di un LED. Infatti, parametri optoelettronici chiave come lunghezza d'onda, luminosità e tensione diretta sono in gran parte determinati dal materiale epitassiale. La tecnologia e le attrezzature per wafer epitassiali sono fondamentali per il processo di produzione, con la deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD) come metodo principale per la crescita di sottili strati monocristallini di composti III-V, II-VI e relative leghe. Di seguito sono riportate alcune tendenze future nella tecnologia dei wafer epitassiali a LED.

1. Miglioramento del processo di crescita in due fasi

Attualmente, la produzione commerciale impiega un processo di crescita in due fasi, ma il numero di substrati che possono essere caricati contemporaneamente è limitato. Mentre i sistemi a 6 wafer sono maturi, le macchine che gestiscono circa 20 wafer sono ancora in fase di sviluppo. L'aumento del numero di wafer porta spesso a un'uniformità insufficiente negli strati epitassiali. Gli sviluppi futuri si concentreranno su due direzioni:

• Sviluppo di tecnologie che consentono di caricare più substrati in un'unica camera di reazione, rendendole più adatte alla produzione su larga scala e alla riduzione dei costi.
• Sviluppo di apparecchiature a wafer singolo altamente automatizzate e ripetibili.

2. Tecnologia dell'epitassia in fase vapore di idruri (HVPE)

Questa tecnologia consente la rapida crescita di film spessi con bassa densità di dislocazioni, che possono fungere da substrati per la crescita omoepitassiale utilizzando altri metodi. Inoltre, i film di GaN separati dal substrato possono diventare alternative ai chip monocristallini di GaN in grandi quantità. Tuttavia, l'HVPE presenta degli svantaggi, come la difficoltà nel controllo preciso dello spessore e la presenza di gas di reazione corrosivi che ostacolano l'ulteriore miglioramento della purezza del materiale GaN.

HVPE-GaN drogato con Si

(a) Struttura del reattore HVPE-GaN drogato con Si; (b) Immagine di HVPE-GaN drogato con Si di 800 μm di spessore;

(c) Distribuzione della concentrazione di portatori liberi lungo il diametro dell'HVPE-GaN drogato con Si

3. Tecnologia di crescita epitassiale selettiva o crescita epitassiale laterale

Questa tecnica può ridurre ulteriormente la densità di dislocazioni e migliorare la qualità cristallina degli strati epitassiali di GaN. Il processo prevede:

• Depositare uno strato di GaN su un substrato adatto (zaffiro o SiC).
• Depositando uno strato di maschera di SiO₂ policristallino sulla parte superiore.
• Utilizzo di fotolitografia e incisione per creare finestre in GaN e strisce di maschera in SiO₂.Durante la crescita successiva, il GaN cresce prima verticalmente nelle finestre e poi lateralmente sulle strisce di SiO₂.

Wafer GaN-on-Sapphire di XKH

4. Tecnologia pendeo-epitassia

Questo metodo riduce significativamente i difetti reticolari causati da discrepanze reticolari e termiche tra il substrato e lo strato epitassiale, migliorando ulteriormente la qualità dei cristalli di GaN. I passaggi includono:

• Crescita di uno strato epitassiale di GaN su un substrato adatto (6H-SiC o Si) mediante un processo in due fasi.
• Esecuzione di un'incisione selettiva dello strato epitassiale fino al substrato, creando strutture alternate a pilastri (GaN/tampone/substrato) e a trincea.
• Crescita di strati aggiuntivi di GaN, che si estendono lateralmente dalle pareti laterali dei pilastri GaN originali, sospesi sopra le trincee.Poiché non viene utilizzata alcuna maschera, si evita il contatto tra il GaN e i materiali della maschera.

Wafer GaN-on-Silicon di XKH

5. Sviluppo di materiali epitassiali a LED UV a lunghezza d'onda corta

Ciò pone solide basi per i LED bianchi basati su fosfori eccitati da luce UV. Molti fosfori ad alta efficienza possono essere eccitati dalla luce UV, offrendo un'efficienza luminosa superiore rispetto all'attuale sistema YAG:Ce, migliorando così le prestazioni dei LED bianchi.

6. Tecnologia dei chip Multi-Quantum Well (MQW)

Nelle strutture MQW, diverse impurità vengono drogate durante la crescita dello strato fotoemittente per creare pozzi quantici variabili. La ricombinazione dei fotoni emessi da questi pozzi produce direttamente luce bianca. Questo metodo migliora l'efficienza luminosa, riduce i costi e semplifica il packaging e il controllo dei circuiti, sebbene presenti maggiori sfide tecniche.

7. Sviluppo della tecnologia di “riciclo dei fotoni”

Nel gennaio 1999, la giapponese Sumitomo ha sviluppato un LED bianco utilizzando il materiale ZnSe. La tecnologia prevede la crescita di un film sottile di CdZnSe su un substrato monocristallino di ZnSe. Una volta elettrizzato, il film emette luce blu, che interagisce con il substrato di ZnSe per produrre luce gialla complementare, dando origine a luce bianca. Analogamente, il Photonics Research Center della Boston University ha impilato un composto semiconduttore AlInGaP su un LED GaN blu per generare luce bianca.

8. Flusso del processo del wafer epitassiale a LED

① Fabbricazione di wafer epitassiali:
Substrato → Progettazione strutturale → Crescita dello strato tampone → Crescita dello strato di GaN di tipo N → Crescita dello strato di emissione di luce MQW → Crescita dello strato di GaN di tipo P → Ricottura → Test (fotoluminescenza, raggi X) → Wafer epitassiale

② Fabbricazione di chip:
Wafer epitassiale → Progettazione e fabbricazione di maschere → Fotolitografia → Incisione ionica → Elettrodo di tipo N (deposizione, ricottura, incisione) → Elettrodo di tipo P (deposizione, ricottura, incisione) → Taglio a cubetti → Ispezione e classificazione dei chip.

Wafer GaN-on-SiC di ZMSH