Mga Teknikal na Prinsipyo at Proseso ng mga LED Epitaxial Wafer

Mula sa prinsipyo ng paggana ng mga LED, maliwanag na ang materyal na epitaxial wafer ang pangunahing bahagi ng isang LED. Sa katunayan, ang mga pangunahing optoelectronic parameter tulad ng wavelength, brightness, at forward voltage ay higit na natutukoy ng materyal na epitaxial. Ang teknolohiya at kagamitan ng epitaxial wafer ay mahalaga sa proseso ng pagmamanupaktura, kung saan ang Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) ang pangunahing pamamaraan para sa pagpapalago ng manipis na single-crystal layers ng III-V, II-VI compounds, at ng kanilang mga alloys. Nasa ibaba ang ilang mga trend sa hinaharap sa teknolohiya ng LED epitaxial wafer.

1. Pagpapabuti ng Proseso ng Paglago na May Dalawang Hakbang

Sa kasalukuyan, ang komersyal na produksyon ay gumagamit ng dalawang-hakbang na proseso ng paglago, ngunit limitado ang bilang ng mga substrate na maaaring i-load nang sabay-sabay. Bagama't mature na ang mga 6-wafer system, ang mga makinang humahawak ng humigit-kumulang 20 wafer ay nasa ilalim pa rin ng pag-unlad. 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 tututok sa dalawang direksyon:

• Pagbuo ng mga teknolohiyang nagpapahintulot sa paglo-load ng mas maraming substrate sa iisang reaction chamber, na ginagawa itong mas angkop para sa malakihang produksyon at pagbawas ng gastos.
• Pagsulong ng lubos na awtomatiko at mauulit na kagamitang single-wafer.

2. Teknolohiya ng Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)

Ang teknolohiyang ito ay nagbibigay-daan sa mabilis na paglaki ng makakapal na pelikula na may mababang dislocation density, na maaaring magsilbing substrates para sa homoepitaxial growth gamit ang iba pang mga pamamaraan. Bukod pa rito, ang mga GaN film na nakahiwalay sa substrate ay maaaring maging alternatibo sa bulk GaN single-crystal chips. Gayunpaman, ang HVPE ay may mga disbentaha, tulad ng kahirapan sa tumpak na pagkontrol ng kapal at mga corrosive reaction gas na humahadlang sa karagdagang pagpapabuti sa kadalisayan ng materyal na GaN.

Si-doped HVPE-GaN

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

(c) Distribusyon ng konsentrasyon ng free carrier sa diameter ng Si-doped HVPE-GaN

3. Teknolohiya ng Selective Epitaxial Growth o Lateral Epitaxial Growth

Ang pamamaraang ito ay maaaring higit pang makabawas sa densidad ng dislokasyon at mapabuti ang kalidad ng kristal ng mga epitaxial layer ng GaN. Ang proseso ay kinabibilangan ng:

• Paglalagay ng GaN layer sa isang angkop na substrate (sapiro o SiC).
• Paglalagay ng polycrystalline SiO₂ mask layer sa ibabaw.
• Paggamit ng photolithography at etching upang lumikha ng mga GaN window at SiO₂ mask strips.Sa kasunod na paglaki, ang GaN ay unang lumalaki nang patayo sa mga bintana at pagkatapos ay sa gilid sa ibabaw ng mga SiO₂ strip.

Wafer na GaN-on-Sapphire ng XKH

4. Teknolohiya ng Pendeo-Epitaxy

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

• Pagpapatubo ng GaN epitaxial layer sa isang angkop na substrate (6H-SiC o Si) gamit ang dalawang-hakbang na proseso.
• Pagsasagawa ng selective etching ng epitaxial layer pababa sa substrate, na lumilikha ng alternating pillar (GaN/buffer/substrate) at trench structures.
• Lumalaking karagdagang mga patong ng GaN, na umaabot sa gilid mula sa mga dingding ng orihinal na mga haligi ng GaN, na nakasabit sa ibabaw ng mga kanal.Dahil walang ginagamit na maskara, naiiwasan nito ang pagkakadikit ng GaN at mga materyales ng maskara.

Wafer na GaN-on-Silicon ng XKH

5. Pag-unlad ng mga Materyales na Epitaxial na may Maikling Haba ng Daloy ng UV LED

Naglalatag ito ng matibay na pundasyon para sa mga UV-excited phosphor-based na puting LED. Maraming high-efficiency phosphor ang maaaring ma-excite ng UV light, na nag-aalok ng mas mataas na luminous efficiency kaysa sa kasalukuyang YAG:Ce system, sa gayon ay nagpapahusay sa performance ng puting LED.

6. Teknolohiya ng Multi-Quantum Well (MQW) Chip

Sa mga istrukturang MQW, iba't ibang dumi ang nilalagay sa doping habang lumalaki ang light-emitting layer upang lumikha ng iba't ibang quantum well. Ang recombination ng mga photon na inilalabas mula sa mga well na ito ay direktang nagbubunga ng puting liwanag. Pinapabuti ng pamamaraang ito ang luminous efficiency, binabawasan ang mga gastos, at pinapasimple ang packaging at circuit control, bagama't nagdudulot ito ng mas malalaking teknikal na hamon.

7. Pag-unlad ng Teknolohiya ng "Photon Recycling"

Noong Enero 1999, nakabuo ang Sumitomo ng Japan ng isang puting LED gamit ang materyal na ZnSe. Ang teknolohiyang ito ay kinabibilangan ng pagpapatubo ng manipis na pelikulang CdZnSe sa isang ZnSe single-crystal substrate. Kapag nakuryente, ang pelikula ay naglalabas ng asul na liwanag, na nakikipag-ugnayan sa ZnSe substrate upang makagawa ng komplementaryong dilaw na liwanag, na nagreresulta sa puting liwanag. Katulad nito, ang Photonics Research Center ng Boston University ay naglagay ng isang AlInGaP semiconductor compound sa isang asul na GaN-LED upang makabuo ng puting liwanag.

8. Daloy ng Proseso ng LED Epitaxial Wafer

① Paggawa ng Epitaxial Wafer:
Substrate → Disenyong istruktura → Paglago ng buffer layer → Paglago ng N-type na GaN layer → Paglago ng MQW light-emitting layer → Paglago ng P-type na GaN layer → Pag-annealing → Pagsubok (photoluminescence, X-ray) → Epitaxial wafer

② Paggawa ng Chip:
Epitaxial wafer → Disenyo at paggawa ng maskara → Photolithography → Ion etching → N-type electrode (deposition, annealing, etching) → P-type electrode (deposition, annealing, etching) → Dicing → Inspeksyon at paggrado ng chip.

GaN-on-SiC wafer ng ZMSH