Z princípu fungovania LED diód je zrejmé, že materiál epitaxnej doštičky je jadrom LED diódy. V skutočnosti sú kľúčové optoelektronické parametre, ako je vlnová dĺžka, jas a priame napätie, do značnej miery určené epitaxným materiálom. Technológia a zariadenia na epitaxné doštičky sú pre výrobný proces rozhodujúce, pričom chemická depozícia z pár kovov a organických zlúčenín (MOCVD) je primárnou metódou na rast tenkých monokryštálových vrstiev zlúčenín III-V, II-VI a ich zliatin. Nižšie sú uvedené niektoré budúce trendy v technológii epitaxných doštičiek LED.
1. Zlepšenie dvojkrokového procesu rastu
V súčasnosti komerčná výroba využíva dvojstupňový rastový proces, ale počet substrátov, ktoré je možné naraz načítať, je obmedzený. Zatiaľ čo systémy so 6 doštičkami sú už vyspelé, stroje spracovávajúce približne 20 doštičiek sú stále vo vývoji. Zvyšovanie počtu doštičiek často vedie k nedostatočnej uniformite epitaxných vrstiev. Budúci vývoj sa zameria na dva smery:
- Vývoj technológií, ktoré umožňujú vloženie väčšieho množstva substrátov do jednej reakčnej komory, čím sa stanú vhodnejšími pre veľkovýrobu a znižovanie nákladov.
- Pokrok vo vysoko automatizovaných, opakovateľných zariadeniach na výrobu jednotlivých doštičiek.
2. Technológia epitaxie z plynnej fázy hydridov (HVPE)
Táto technológia umožňuje rýchly rast hrubých vrstiev s nízkou hustotou dislokácií, ktoré môžu slúžiť ako substráty pre homoepitaxný rast s použitím iných metód. Okrem toho sa vrstvy GaN oddelené od substrátu môžu stať alternatívou k objemovým monokryštálovým čipom GaN. HVPE má však nevýhody, ako sú ťažkosti s presnou reguláciou hrúbky a korozívne reakčné plyny, ktoré bránia ďalšiemu zlepšovaniu čistoty materiálu GaN.
Silikónom dopovaný HVPE-GaN
(a) Štruktúra reaktora HVPE-GaN dopovaného kremíkom; (b) Obrázok 800 μm hrubého HVPE-GaN dopovaného kremíkom;
(c) Rozloženie koncentrácie voľných nosičov pozdĺž priemeru HVPE-GaN dopovaného Si
3. Technológia selektívneho epitaxného rastu alebo laterálneho epitaxného rastu
Táto technika môže ďalej znížiť hustotu dislokácií a zlepšiť kryštálovú kvalitu epitaxných vrstiev GaN. Proces zahŕňa:
- Nanesenie vrstvy GaN na vhodný substrát (zafír alebo SiC).
- Nanesenie polykryštalickej maskovacej vrstvy SiO₂ na vrch.
- Použitie fotolitografie a leptania na vytvorenie okienok GaN a maskovacích prúžkov SiO₂.Počas následného rastu rastie GaN najprv vertikálne v okienkach a potom laterálne cez pásiky SiO₂.
GaN na zafírovom doštičke od spoločnosti XKH
4. Technológia pendeo-epitaxie
Táto metóda výrazne redukuje mriežkové defekty spôsobené mriežkovým a tepelným nesúladom medzi substrátom a epitaxnou vrstvou, čím sa ďalej zlepšuje kvalita kryštálov GaN. Kroky zahŕňajú:
- Pestovanie epitaxnej vrstvy GaN na vhodnom substráte (6H-SiC alebo Si) pomocou dvojkrokového procesu.
- Vykonávanie selektívneho leptania epitaxnej vrstvy až po substrát, čím sa vytvárajú striedajúce sa stĺpikové (GaN/tlmivý roztok/substrát) a zákopové štruktúry.
- Rastúce ďalšie vrstvy GaN, ktoré sa rozprestierajú laterálne od bočných stien pôvodných stĺpikov GaN, zavesených nad zákopmi.Keďže sa nepoužíva žiadna maska, zabraňuje sa kontaktu medzi GaN a materiálmi masky.
GaN na kremíkovom waferi od spoločnosti XKH
5. Vývoj epitaxných materiálov s krátkou vlnovou dĺžkou UV LED
Toto kladie pevný základ pre biele LED diódy na báze fosforu s UV excitáciou. Mnoho vysokoúčinných fosforov je možné excitovať UV svetlom, čo ponúka vyššiu svetelnú účinnosť ako súčasný systém YAG:Ce, čím sa zlepšuje výkon bielych LED diód.
6. Technológia čipov s viacerými kvantovými jamkami (MQW)
V štruktúrach MQW sa počas rastu vrstvy emitujúcej svetlo dopujú rôzne nečistoty, čím sa vytvárajú rôzne kvantové jamy. Rekombinácia fotónov emitovaných z týchto jamiek priamo produkuje biele svetlo. Táto metóda zlepšuje svetelnú účinnosť, znižuje náklady a zjednodušuje balenie a riadenie obvodov, hoci predstavuje väčšie technické výzvy.
7. Vývoj technológie „recyklácie fotónov“
V januári 1999 vyvinula japonská spoločnosť Sumitomo bielu LED diódu s použitím materiálu ZnSe. Technológia zahŕňa pestovanie tenkej vrstvy CdZnSe na monokryštalickom substráte ZnSe. Po elektrifikácii vrstva vyžaruje modré svetlo, ktoré interaguje so substrátom ZnSe a vytvára komplementárne žlté svetlo, výsledkom čoho je biele svetlo. Podobne Centrum pre výskum fotoniky Bostonskej univerzity navrstvilo polovodičovú zlúčeninu AlInGaP na modrú GaN LED diódu, aby generovalo biele svetlo.
8. Priebeh procesu epitaxného oblátku LED
① Výroba epitaxných doštičiek:
Substrát → Štrukturálny návrh → Rast tlmiacej vrstvy → Rast vrstvy GaN typu N → Rast vrstvy emitujúcej svetlo MQW → Rast vrstvy GaN typu P → Žíhanie → Testovanie (fotoluminiscencia, röntgen) → Epitaxná doštička
② Výroba čipov:
Epitaxná doštička → Návrh a výroba masky → Fotolitografia → Iónové leptanie → Elektróda typu N (nanášanie, žíhanie, leptanie) → Elektróda typu P (nanášanie, žíhanie, leptanie) → Krájanie → Kontrola a klasifikácia čipu.
Doštička GaN na SiC od ZMSH
Čas uverejnenia: 25. júla 2025