Из принципа работы светодиодов очевидно, что материал эпитаксиальной пластины является их основным компонентом. Фактически, ключевые оптоэлектронные параметры, такие как длина волны, яркость и прямое напряжение, во многом определяются эпитаксиальным материалом. Технология и оборудование для производства эпитаксиальных пластин имеют решающее значение для производственного процесса, при этом осаждение из газовой фазы металлорганических соединений (МОС-гидридная химия) является основным методом выращивания тонких монокристаллических слоев соединений III-V, II-VI и их сплавов. Ниже представлены некоторые будущие тенденции в технологии эпитаксиальных пластин светодиодов.
1. Улучшение двухэтапного процесса роста
В настоящее время в коммерческом производстве используется двухэтапный процесс роста, но количество подложек, которые можно загрузить одновременно, ограничено. Хотя системы с шестью пластинами уже достаточно развиты, машины, способные обрабатывать около 20 пластин, всё ещё находятся в стадии разработки. Увеличение количества пластин часто приводит к недостаточной однородности эпитаксиальных слоёв. Дальнейшие разработки будут сосредоточены на двух направлениях:
- Разработка технологий, позволяющих загружать больше субстратов в одну реакционную камеру, что делает их более подходящими для крупномасштабного производства и снижения затрат.
- Разработка высокоавтоматизированного, воспроизводимого однопластинчатого оборудования.
2. Технология парофазной эпитаксии гидрида (HVPE)
Эта технология обеспечивает быстрый рост толстых плёнок с низкой плотностью дислокаций, которые могут служить подложками для гомоэпитаксиального роста другими методами. Кроме того, плёнки GaN, отделённые от подложки, могут стать альтернативой объёмным монокристаллическим кристаллам GaN. Однако HVPE имеет недостатки, такие как сложность точного контроля толщины и наличие коррозионных реакционных газов, что препятствует дальнейшему повышению чистоты материала GaN.
HVPE-GaN, легированный кремнием
(a) Структура реактора HVPE-GaN, легированного Si; (b) Изображение HVPE-GaN, легированного Si, толщиной 800 мкм;
(c) Распределение концентрации свободных носителей заряда по диаметру HVPE-GaN, легированного Si
3. Технология селективного эпитаксиального роста или латерального эпитаксиального роста
Этот метод позволяет дополнительно снизить плотность дислокаций и улучшить качество кристаллов эпитаксиальных слоев GaN. Процесс включает в себя:
- Нанесение слоя GaN на подходящую подложку (сапфир или SiC).
- Нанесение сверху слоя поликристаллической маски SiO₂.
- Использование фотолитографии и травления для создания окон GaN и масок-полос SiO₂.В ходе последующего роста GaN сначала растет вертикально в окнах, а затем — горизонтально над полосками SiO₂.
Пластина GaN-на-сапфире от XKH
4. Технология пендеоэпитаксии
Этот метод значительно снижает дефекты решетки, вызванные несоответствием параметров решетки и температуры подложки и эпитаксиального слоя, что дополнительно повышает качество кристалла GaN. Этот метод включает в себя:
- Выращивание эпитаксиального слоя GaN на подходящей подложке (6H-SiC или Si) с использованием двухэтапного процесса.
- Выполнение селективного травления эпитаксиального слоя до подложки с созданием чередующихся столбчатых (GaN/буфер/подложка) и канавочных структур.
- Выращивание дополнительных слоев GaN, которые выступают вбок от боковых стенок исходных столбиков GaN, подвешенных над канавками.Поскольку маска не используется, исключается контакт между GaN и материалами маски.
Пластина GaN-на-кремнии от XKH
5. Разработка эпитаксиальных материалов для коротковолновых УФ-светодиодов
Это закладывает прочную основу для белых светодиодов на основе люминофоров с УФ-возбуждением. Многие высокоэффективные люминофоры могут возбуждаться УФ-излучением, обеспечивая более высокую светоотдачу, чем существующая система YAG:Ce, тем самым улучшая характеристики белых светодиодов.
6. Технология чипов с несколькими квантовыми ямами (MQW)
В структурах с МКЯ в процессе роста светоизлучающего слоя добавляются различные примеси для создания квантовых ям различной формы. Рекомбинация фотонов, испускаемых из этих ям, непосредственно генерирует белый свет. Этот метод повышает светоотдачу, снижает стоимость и упрощает корпусирование и управление схемой, хотя и представляет собой более сложную техническую задачу.
7. Разработка технологии «переработки фотонов»
В январе 1999 года японская компания Sumitomo разработала белый светодиод на основе материала ZnSe. Технология предполагает выращивание тонкой плёнки CdZnSe на монокристаллической подложке ZnSe. При подаче электричества плёнка излучает синий свет, который, взаимодействуя с подложкой ZnSe, образует комплементарный жёлтый свет, в результате чего получается белый свет. Аналогичным образом, Центр фотонных исследований Бостонского университета использовал полупроводниковый состав AlInGaP на синем светодиоде GaN для получения белого света.
8. Технологический процесс производства эпитаксиальных пластин светодиодов
① Изготовление эпитаксиальных пластин:
Подложка → Проектирование структуры → Рост буферного слоя → Рост слоя GaN N-типа → Рост светоизлучающего слоя MQW → Рост слоя GaN P-типа → Отжиг → Тестирование (фотолюминесценция, рентген) → Эпитаксиальная пластина
② Изготовление чипов:
Эпитаксиальная пластина → Разработка и изготовление маски → Фотолитография → Ионное травление → Электрод N-типа (осаждение, отжиг, травление) → Электрод P-типа (осаждение, отжиг, травление) → Резка → Проверка и сортировка чипа.
Пластина GaN-на-SiC от ZMSH
Время публикации: 25 июля 2025 г.