Исходя из принципа работы светодиодов, очевидно, что эпитаксиальный материал подложки является ключевым компонентом светодиода. Фактически, ключевые оптоэлектронные параметры, такие как длина волны, яркость и прямое напряжение, в значительной степени определяются эпитаксиальным материалом. Технология и оборудование для эпитаксиального осаждения из газовой фазы имеют решающее значение для производственного процесса, при этом металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) является основным методом выращивания тонких монокристаллических слоев соединений III-V, II-VI и их сплавов. Ниже представлены некоторые будущие тенденции в технологии эпитаксиального осаждения из газовой фазы светодиодов.
1. Усовершенствование двухэтапного процесса роста
В настоящее время в коммерческом производстве используется двухэтапный процесс выращивания, но количество подложек, которые можно загрузить одновременно, ограничено. Хотя системы для 6 пластин уже отработаны, машины, обрабатывающие около 20 пластин, все еще находятся в стадии разработки. Увеличение количества пластин часто приводит к недостаточной однородности эпитаксиальных слоев. Будущие 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 снижает затраты.
- Разработка высокоавтоматизированного, воспроизводимого оборудования для производства отдельных кремниевых пластин.
2. Технология гидридной парофазной эпитаксии (HVPE).
Эта технология позволяет быстро выращивать толстые пленки с низкой плотностью дислокаций, которые могут служить подложками для гомоэпитаксиального роста с использованием других методов. Кроме того, пленки GaN, отделенные от подложки, могут стать альтернативой объемным монокристаллическим чипам GaN. Однако у HVPE есть недостатки, такие как трудности с точным контролем толщины и коррозионные реакционные газы, которые препятствуют дальнейшему повышению чистоты материала GaN.
Si-легированный HVPE-GaN
(a) Структура легированного кремнием HVPE-GaN реактора; (b) Изображение легированного кремнием HVPE-GaN толщиной 800 мкм;
(c) Распределение концентрации свободных носителей заряда по диаметру легированного кремнием HVPE-GaN
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 поликристаллического защитного слоя SiO₂.
- Использование фотолитографии и травления для создания окон из нитрида галлия (GaN) и полосок маски из диоксида кремния (SiO₂).В ходе последующего роста GaN сначала растет вертикально в окнах, а затем латерально по полосам SiO₂.
GaN-на-сапфировой пластине компании XKH
4. Технология пендеоэпитаксии
Этот метод значительно уменьшает дефекты кристаллической решетки, вызванные несоответствием решетки и температурой между подложкой и эпитаксиальным слоем, что дополнительно повышает качество кристалла GaN. Этапы включают 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 траншейных структур.
- Наращивание дополнительных слоев GaN, которые простираются вбок от боковых стенок исходных столбиков GaN, подвешенных над канавками.Поскольку маска не используется, это позволяет избежать контакта между GaN и материалами маски.
Кремниевая пластина GaN на подложке XKH
5. Разработка эпитаксиальных материалов для коротковолновых УФ-светодиодов
Это закладывает прочную основу для белых светодиодов на основе люминофоров, возбуждаемых ультрафиолетовым излучением. Многие высокоэффективные люминофоры могут возбуждаться ультрафиолетовым светом, обеспечивая более высокую светоотдачу, чем существующая система YAG:Ce, тем самым улучшая характеристики белых светодиодов.
6. Технология многоквантовых квантовых ям (MQW)
В многослойных квантовых структурах (MQW) в процессе роста светоизлучающего слоя вводятся различные примеси для создания квантовых ям различной толщины. Рекомбинация фотонов, испускаемых из этих ям, непосредственно приводит к образованию белого света. Этот метод повышает светоотдачу, снижает затраты и упрощает упаковку и управление схемой, хотя и сопряжен с большими техническими трудностями.
7. Разработка технологии «рециркуляции фотонов».
В январе 1999 года японская компания Sumitomo разработала белый светодиод на основе материала ZnSe. Технология включает в себя выращивание тонкой пленки CdZnSe на монокристаллической подложке ZnSe. При подаче электрического тока пленка излучает синий свет, который взаимодействует с подложкой ZnSe, создавая дополнительный желтый свет, в результате чего получается белый свет. Аналогичным образом, Центр фотонных исследований Бостонского университета нанес полупроводниковое соединение AlInGaP на синий GaN-светодиод для генерации белого света.
8. Технологический процесс эпитаксиальной обработки светодиодных пластин
① Изготовление эпитаксиальных пластин:
Подложка → Разработка структуры → Рост буферного слоя → Рост слоя GaN N-типа → Рост светоизлучающего слоя MQW → Рост слоя GaN P-типа → Отжиг → Тестирование (фотолюминесценция, рентгеновское излучение) → Эпитаксиальная пластина
② Изготовление микросхем:
Эпитаксиальная пластина → Разработка и изготовление маски → Фотолитография → Ионное травление → N-электрод (осаждение, отжиг, травление) → P-электрод (осаждение, отжиг, травление) → Нарезка → Контроль и сортировка чипов.
GaN-на-SiC пластине компании ZMSH
Дата публикации: 25 июля 2025 г.