Mga Teknikal na Prinsipyo at Proseso ng LED Epitaxial Wafers

Mula sa prinsipyo ng pagtatrabaho ng mga LED, maliwanag na ang materyal na epitaxial wafer ay ang pangunahing bahagi ng isang LED. Sa katunayan, ang mga pangunahing optoelectronic na parameter tulad ng wavelength, liwanag, at pasulong na boltahe ay higit na tinutukoy ng epitaxial material. Ang teknolohiya at kagamitan ng epitaxial wafer ay kritikal sa proseso ng pagmamanupaktura, kung saan ang Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) ang pangunahing paraan para sa pagpapalaki ng manipis na single-crystal na layer ng III-V, II-VI compound, at ang kanilang mga alloy. Nasa ibaba ang ilang mga uso sa hinaharap sa teknolohiya ng LED na epitaxial wafer.

1. Pagpapabuti ng Dalawang-Hakbang na Proseso ng Paglago

Sa kasalukuyan, ang komersyal na produksyon ay gumagamit ng isang dalawang-hakbang na proseso ng paglago, ngunit ang bilang ng mga substrate na maaaring mai-load nang sabay-sabay ay limitado. Habang ang 6-wafer system ay mature na, ang mga machine na humahawak ng humigit-kumulang 20 wafers ay nasa ilalim pa rin ng development. Ang pagtaas ng bilang ng mga wafer ay kadalasang humahantong sa hindi sapat na pagkakapareho sa mga epitaxial layer. Ang mga pag-unlad sa hinaharap ay tututuon sa dalawang direksyon:

• Pagbuo ng mga teknolohiya na nagbibigay-daan sa pag-load ng higit pang mga substrate sa iisang reaction chamber, na ginagawang mas angkop ang mga ito para sa malakihang produksyon at pagbabawas ng gastos.
• Pagsulong ng lubos na awtomatiko, nauulit na single-wafer na kagamitan.

2. Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) Technology

Ang teknolohiyang ito ay nagbibigay-daan sa mabilis na paglaki ng mga makapal na pelikula na may mababang dislocation density, na maaaring magsilbi bilang mga substrate para sa paglago ng homoepitaxial gamit ang iba pang mga pamamaraan. Bilang karagdagan, ang mga pelikulang GaN na nahiwalay sa substrate ay maaaring maging mga alternatibo sa maramihang GaN single-crystal chips. Gayunpaman, ang HVPE ay may mga disbentaha, tulad ng kahirapan sa tumpak na kontrol sa kapal at mga corrosive reaction gas na humahadlang sa karagdagang pagpapabuti sa kadalisayan ng materyal ng GaN.

Si-doped HVPE-GaN

(a) Istraktura ng Si-doped HVPE-GaN reactor; (b) Larawan ng 800 μm- makapal na Si-doped HVPE-GaN;

(c) Pamamahagi ng libreng konsentrasyon ng carrier kasama ang diameter ng Si-doped HVPE-GaN

3. Selective Epitaxial Growth o Lateral Epitaxial Growth Technology

Ang pamamaraan na ito ay maaaring higit pang bawasan ang dislokasyon ng density at pagbutihin ang kristal na kalidad ng GaN epitaxial layer. Ang proseso ay kinabibilangan ng:

• Pagdeposito ng GaN layer sa isang angkop na substrate (sapphire o SiC).
• Pagdeposito ng polycrystalline SiO₂ mask layer sa itaas.
• Paggamit ng photolithography at etching para gumawa ng GaN windows at SiO₂ mask strips.Sa kasunod na paglaki, ang GaN ay unang tumubo nang patayo sa mga bintana at pagkatapos ay sa gilid sa ibabaw ng SiO₂ strips.

Ang GaN-on-Sapphire wafer ng XKH

4. Teknolohiya ng Pendeo-Epitaxy

Ang pamamaraang ito ay makabuluhang binabawasan ang mga depekto sa sala-sala na dulot ng sala-sala at thermal mismatch sa pagitan ng substrate at epitaxial layer, na higit na nagpapahusay sa kalidad ng kristal ng GaN. Kasama sa mga hakbang ang:

• Lumalago ang isang GaN epitaxial layer sa isang angkop na substrate (6H-SiC o Si) gamit ang isang dalawang hakbang na proseso.
• Nagsasagawa ng selective etching ng epitaxial layer pababa sa substrate, na lumilikha ng alternating pillar (GaN/buffer/substrate) at mga istruktura ng trench.
• Lumalagong karagdagang mga layer ng GaN, na umaabot sa gilid mula sa mga sidewall ng orihinal na mga haligi ng GaN, na sinuspinde sa ibabaw ng mga trench.Dahil walang ginagamit na maskara, iniiwasan nito ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng GaN at mga materyales sa maskara.

GaN-on-Silicon wafer ng XKH

5. Pagbuo ng Short-Wavelength UV LED Epitaxial Materials

Naglalatag ito ng matatag na pundasyon para sa UV-excited phosphor-based white LEDs. Maraming high-efficiency phosphors ang maaaring ma-excite sa pamamagitan ng UV light, na nag-aalok ng mas mataas na makinang na kahusayan kaysa sa kasalukuyang YAG:Ce system, at sa gayon ay nagsusulong ng puting LED na pagganap.

6. Multi-Quantum Well (MQW) Chip Technology

Sa mga istruktura ng MQW, ang iba't ibang mga impurities ay doped sa panahon ng paglaki ng light-emitting layer upang lumikha ng iba't ibang mga quantum well. Ang recombination ng mga photon na ibinubuga mula sa mga balon na ito ay direktang gumagawa ng puting liwanag. Ang pamamaraang ito ay nagpapabuti sa maliwanag na kahusayan, binabawasan ang mga gastos, at pinapasimple ang packaging at circuit control, kahit na ito ay nagpapakita ng mas malalaking teknikal na hamon.

7. Pagbuo ng "Photon Recycling" Technology

Noong Enero 1999, nakabuo ang Sumitomo ng Japan ng puting LED gamit ang materyal na ZnSe. Kasama sa teknolohiya ang pagpapalaki ng CdZnSe thin film sa ZnSe single-crystal substrate. Kapag nakuryente, ang pelikula ay naglalabas ng asul na liwanag, na nakikipag-ugnayan sa ZnSe substrate upang makagawa ng pantulong na dilaw na ilaw, na nagreresulta sa puting liwanag. Katulad nito, ang Photonics Research Center ng Boston University ay nag-stack ng isang AlInGaP semiconductor compound sa isang asul na GaN-LED upang makabuo ng puting liwanag.

8. LED Epitaxial Wafer na Daloy ng Proseso

① Epitaxial Wafer Fabrication:
Substrate → Structural design → Buffer layer growth → N-type GaN layer growth → MQW light-emitting layer growth → P-type GaN layer growth → Annealing → Testing (photoluminescence, X-ray) → Epitaxial wafer

② Paggawa ng Chip:
Epitaxial wafer → Mask na disenyo at katha → Photolithography → Ion etching → N-type na electrode (deposition, annealing, etching) → P-type na electrode (deposition, annealing, etching) → Dicing → Chip inspection at grading.

Ang wafer ng GaN-on-SiC ng ZMSH