Prinsip dan Proses Teknikal Wafer Epitaxial LED

Daripada prinsip kerja LED, adalah jelas bahawa bahan wafer epitaxial adalah komponen teras LED. Malah, parameter optoelektronik utama seperti panjang gelombang, kecerahan, dan voltan hadapan sebahagian besarnya ditentukan oleh bahan epitaxial. Teknologi dan peralatan wafer epitaxial adalah penting untuk proses pembuatan, dengan Pemendapan Wap Kimia Logam-Organik (MOCVD) menjadi kaedah utama untuk mengembangkan lapisan kristal tunggal nipis sebatian III-V, II-VI, dan aloinya. Berikut ialah beberapa trend masa depan dalam teknologi wafer epitaxial 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 sudah matang, mesin yang mengendalikan sekitar 20 wafer masih dalam pembangunan. Meningkatkan bilangan wafer selalunya membawa kepada keseragaman yang tidak mencukupi dalam lapisan epitaxial. Perkembangan masa depan akan memberi tumpuan kepada dua arah:

• Membangunkan teknologi yang membolehkan memuatkan 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 terkehel yang rendah, yang boleh berfungsi sebagai substrat untuk pertumbuhan homoepitaxial menggunakan kaedah lain. Selain itu, filem GaN yang diasingkan 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.

Si-doped HVPE-GaN

(a) Struktur reaktor HVPE-GaN Si-doped; (b) Imej bagi 800 μm- tebal Si-doped HVPE-GaN;

(c) Taburan kepekatan pembawa bebas sepanjang diameter HVPE-GaN Si-doped

3. Pertumbuhan Epitaxial Terpilih atau Teknologi Pertumbuhan Epitaxial Lateral

Teknik ini boleh mengurangkan lagi ketumpatan dislokasi dan meningkatkan kualiti kristal lapisan epitaxial GaN. Proses tersebut melibatkan:

• Mendepositkan lapisan GaN pada substrat yang sesuai (nilam atau SiC).
• Mendepositkan lapisan topeng SiO₂ polihabluran di atas.
• Menggunakan fotolitografi dan etsa untuk mencipta tingkap GaN dan jalur topeng SiO₂.Semasa pertumbuhan seterusnya, GaN mula-mula tumbuh secara menegak di tingkap dan kemudian secara sisi di atas jalur SiO₂.

Wafer GaN-on-Sapphire XKH

4. Teknologi Pendeo-Epitaxy

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

• Menumbuhkan lapisan epitaxial GaN pada substrat yang sesuai (6H-SiC atau Si) menggunakan proses dua langkah.
• Melakukan etsa terpilih bagi lapisan epitaxial turun ke substrat, mencipta struktur tiang berselang-seli (GaN/penampan/substrat) dan parit.
• Menanam lapisan GaN tambahan, yang memanjang ke sisi dari dinding sisi tiang GaN asal, digantung di atas parit.Memandangkan tiada topeng digunakan, ini mengelakkan sentuhan antara GaN dan bahan topeng.

Wafer GaN-on-Silicon XKH

5. Pembangunan Bahan Epitaxial LED UV Panjang Gelombang Pendek

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

6. Teknologi Cip Telaga Berbilang Kuantum (MQW).

Dalam struktur MQW, kekotoran yang berbeza didopkan semasa pertumbuhan lapisan pemancar cahaya untuk mencipta 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 Foto”.

Pada Januari 1999, Sumitomo Jepun membangunkan LED putih menggunakan bahan ZnSe. Teknologi ini melibatkan pertumbuhan filem nipis CdZnSe pada substrat kristal tunggal ZnSe. Apabila dielektrik, filem itu mengeluarkan cahaya biru, yang berinteraksi dengan substrat ZnSe untuk menghasilkan cahaya kuning pelengkap, menghasilkan cahaya putih. Begitu juga, Pusat Penyelidikan Photonics Universiti Boston menyusun sebatian semikonduktor AlInGaP pada GaN-LED biru untuk menjana cahaya putih.

8. Aliran Proses Wafer Epitaxial LED

① Pembuatan Wafer Epitaxial:
Substrat → Reka bentuk struktur → Pertumbuhan lapisan penampan → Pertumbuhan lapisan GaN jenis N → Pertumbuhan lapisan pemancar cahaya MQW → Pertumbuhan lapisan GaN jenis P → Penyepuhlindapan → Ujian (photoluminescence, X-ray) → Wafer epitaxial

② Pembuatan Cip:
Wafer epitaxial → Reka bentuk dan fabrikasi topeng → Fotolitografi → Goresan ion → Elektrod jenis N (pemendapan, penyepuhlindapan, goresan) → Elektrod jenis P (pemendapan, penyepuhlindapan, goresan) → Dicing → Pemeriksaan dan penggredan cip.

Wafer GaN-on-SiC ZMSH