Prinsip dan Proses Teknikal Wafer Epitaksi LED

Daripada prinsip kerja LED, jelas bahawa bahan wafer epitaksial adalah komponen teras LED. Malah, parameter optoelektronik utama seperti panjang gelombang, kecerahan dan voltan hadapan sebahagian besarnya ditentukan oleh bahan epitaksial. Teknologi dan peralatan wafer epitaksial adalah penting untuk proses pembuatan, dengan Pemendapan Wap Kimia Logam-Organik (MOCVD) menjadi kaedah utama untuk menumbuhkan lapisan kristal tunggal nipis sebatian III-V, II-VI dan aloinya. Berikut adalah beberapa trend masa depan dalam teknologi wafer epitaksial LED.

1. Penambahbaikan Proses Pertumbuhan Dua Langkah

Pada masa ini, pengeluaran komersial menggunakan proses pertumbuhan dua langkah, tetapi bilangan substrat yang boleh dimuatkan sekaligus adalah terhad. Walaupun sistem 6-wafer telah matang, mesin yang mengendalikan sekitar 20 wafer masih dalam pembangunan. Peningkatan bilangan wafer selalunya menyebabkan keseragaman yang tidak mencukupi dalam lapisan epitaksi. Perkembangan masa hadapan akan memberi tumpuan kepada dua arah:

• Membangunkan teknologi yang membolehkan pemuatan lebih banyak substrat dalam satu ruang tindak balas, menjadikannya lebih sesuai untuk pengeluaran berskala besar dan pengurangan kos.
• Memajukan peralatan wafer tunggal yang sangat automatik dan boleh diulang.

2. Teknologi Epitaksi Fasa Wap Hidrida (HVPE)

Teknologi ini membolehkan pertumbuhan pesat filem tebal dengan ketumpatan dislokasi yang rendah, yang boleh berfungsi sebagai substrat untuk pertumbuhan homoepitaksial menggunakan kaedah lain. Selain itu, filem GaN yang dipisahkan daripada substrat boleh menjadi alternatif kepada cip kristal tunggal GaN pukal. Walau bagaimanapun, HVPE mempunyai kelemahan, seperti kesukaran dalam kawalan ketebalan yang tepat dan gas tindak balas menghakis yang menghalang peningkatan selanjutnya dalam ketulenan bahan GaN.

HVPE-GaN yang didop Si

(a) Struktur reaktor HVPE-GaN yang didop Si; (b) Imej HVPE-GaN yang didop Si setebal 800 μm;

(c) Taburan kepekatan pembawa bebas di sepanjang diameter HVPE-GaN yang didop Si

3. Pertumbuhan Epitaksi Selektif atau Teknologi Pertumbuhan Epitaksi Lateral

Teknik ini dapat mengurangkan lagi ketumpatan kehelan dan meningkatkan kualiti kristal lapisan epitaksi GaN. Proses ini melibatkan:

• Mendapan lapisan GaN pada substrat yang sesuai (nila atau SiC).
• Meletakkan lapisan topeng SiO₂ polihabluran di atas.
• Menggunakan fotolitografi dan pengetsaan untuk mencipta tingkap GaN dan jalur topeng SiO₂.Semasa pertumbuhan berikutnya, GaN mula-mula tumbuh secara menegak di tingkap dan kemudian secara lateral di atas jalur SiO₂.

Wafer GaN-on-Sapphire XKH

4. Teknologi Pendeo-Epitaksi

Kaedah ini dengan ketara mengurangkan kecacatan kekisi yang disebabkan oleh kekisi dan ketidakpadanan haba antara substrat dan lapisan epitaksi, seterusnya meningkatkan kualiti kristal GaN. Langkah-langkahnya termasuk:

• Menumbuhkan lapisan epitaksi GaN pada substrat yang sesuai (6H-SiC atau Si) menggunakan proses dua langkah.
• Melakukan pengetsaan terpilih lapisan epitaksi ke bawah ke substrat, menghasilkan struktur tiang berselang-seli (GaN/penimbal/substrat) dan parit.
• Lapisan GaN tambahan yang semakin membesar, yang memanjang secara lateral dari dinding sisi tiang GaN asal, digantung di atas parit.Oleh kerana tiada topeng digunakan, ini mengelakkan sentuhan antara GaN dan bahan topeng.

Wafer GaN-on-Silikon XKH

5. Pembangunan Bahan Epitaksi LED UV Panjang Gelombang Pendek

Ini meletakkan asas yang kukuh untuk LED putih berasaskan fosfor yang diuja UV. Banyak fosfor berkecekapan tinggi boleh diuja oleh cahaya UV, menawarkan kecekapan bercahaya yang lebih tinggi daripada sistem YAG:Ce semasa, sekali gus memajukan prestasi LED putih.

6. Teknologi Cip Telaga Berbilang Kuantum (MQW)

Dalam struktur MQW, bendasing yang berbeza didop semasa pertumbuhan lapisan pemancar cahaya untuk menghasilkan telaga kuantum yang berbeza-beza. Penggabungan semula foton yang dipancarkan dari telaga ini menghasilkan cahaya putih secara langsung. Kaedah ini meningkatkan kecekapan bercahaya, mengurangkan kos dan memudahkan pembungkusan dan kawalan litar, walaupun ia memberikan cabaran teknikal yang lebih besar.

7. Pembangunan Teknologi “Kitar Semula Foton”

Pada Januari 1999, Sumitomo dari Jepun telah membangunkan LED putih menggunakan bahan ZnSe. Teknologi ini melibatkan penanaman filem nipis CdZnSe pada substrat kristal tunggal ZnSe. Apabila dielektrikkan, filem tersebut memancarkan cahaya biru, yang berinteraksi dengan substrat ZnSe untuk menghasilkan cahaya kuning pelengkap, menghasilkan cahaya putih. Begitu juga, Pusat Penyelidikan Fotonik Universiti Boston menyusun sebatian semikonduktor AlInGaP pada GaN-LED biru untuk menghasilkan cahaya putih.

8. Aliran Proses Wafer Epitaksi LED

① Fabrikasi Wafer Epitaksial:
Substrat → Reka bentuk struktur → Pertumbuhan lapisan penimbal → Pertumbuhan lapisan GaN jenis-N → Pertumbuhan lapisan pemancar cahaya MQW → Pertumbuhan lapisan GaN jenis-P → Penyepuhlindapan → Pengujian (fotoluminesen, sinar-X) → Wafer epitaksi

② Fabrikasi Cip:
Wafer epitaksi → Reka bentuk dan fabrikasi topeng → Fotolitografi → Pengetsaan ion → Elektrod jenis-N (pemendapan, penyepuhlindapan, pengetsaan) → Elektrod jenis-P (pemendapan, penyepuhlindapan, pengetsaan) → Pemotong dadu → Pemeriksaan dan penggredan cip.

Wafer GaN-on-SiC ZMSH