LED epitaxiale wafers vormen de kern van LED-apparaten en bepalen direct belangrijke opto-elektronische eigenschappen zoals emissiegolflengte, helderheid en voorwaartse spanning. Van alle productietechnieken speelt Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) een dominante rol bij de epitaxiale groei van III-V en II-VI verbinding halfgeleiders. Hieronder staan verschillende technologische ontwikkelingen en trends die de toekomst van LED-epitaxie vormgeven.

1. Optimalisatie van de tweestaps groeitechniek

De commerciële standaard omvat een tweestaps epitaxiaal groeiproces. Huidige MOCVD-reactoren kunnen echter slechts een beperkt aantal substraten per cyclus verwerken - meestal 6 wafers - terwijl configuraties met 20 wafers nog in optimalisatie zijn. Deze beperking beïnvloedt de uniformiteit over de wafers. Toekomstige richtingen zijn onder meer:

• Opschaling:Reactoren ontwikkelen die hogere waferbelastingen ondersteunen om de kosten per eenheid te verlagen.

• Automatisering:Nadruk op single-wafer tools met hoge reproduceerbaarheid en procesautomatisering.

2. Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)

HVPE maakt snelle groei van dikke GaN-lagen met een lage threading dislocation density mogelijk. Deze films kunnen dienen als substraten voor homoepitaxiale groei via andere methoden. Bovendien kunnen vrijstaande GaN-films, gescheiden van de oorspronkelijke substraten, dienen als alternatieven voor bulk GaN. HVPE lijdt echter onder slechte diktecontrole en corrosieve bijproducten, wat de materiaalzuiverheid beperkt.

3. Selectieve of laterale epitaxiale overgroei

Deze methode verbetert de kristalkwaliteit aanzienlijk door de defectdichtheid in GaN-lagen te verminderen. Een GaN-laag wordt eerst afgezet op een substraat (meestal saffier of SiC), gevolgd door een polykristallijne SiO₂-maskerlaag. Fotolithografie en etsen leggen vensters bloot in de GaN-laag. GaN groeit vervolgens verticaal in deze vensters voordat het zich lateraal over het masker uitbreidt.

4. Pendeo-epitaxie voor defectreductie

Pendeo-epitaxie biedt een manier om rooster- en thermische mismatch-geïnduceerde defecten te verminderen. GaN wordt gegroeid op substraten zoals 6H-SiC of Si met behulp van een tweestaps proces. Patroonetsen creëert afwisselende GaN-pilaar- en sleufstructuren, waarop laterale groei zwevende GaN-lagen vormt. Deze methode elimineert de noodzaak van een maskerlaag en voorkomt materiaalverontreiniging.

5. UV LED-materiaalontwikkeling

Er worden inspanningen geleverd om UV LED-materialen met korte golflengte te ontwikkelen, wat een solide basis biedt voor UV-geëxciteerde witte LED's met behulp van trichromatische fosforen. Deze fosforen, efficiënter dan conventionele YAG:Ce-gebaseerde systemen, hebben het potentieel om de lichtopbrengst aanzienlijk te verbeteren.

6. Multi-Quantum Well (MQW) chiptechnologie

MQW-structuren introduceren lagen met verschillende doteringsmiddelen en samenstellingen tijdens de groei, waardoor quantum wells ontstaan die fotonen van verschillende golflengten uitzenden. Deze techniek maakt directe witlichtemissie mogelijk en vermindert de complexiteit in circuit- en pakketontwerp, hoewel het aanzienlijke fabricage-uitdagingen met zich meebrengt.

7. Photon Recycling Technologie

Sumitomo Electric ontwikkelde in 1999 een witte LED met behulp van ZnSe en CdZnSe. Blauw licht dat wordt uitgezonden door de CdZnSe-laag exciteert het ZnSe-substraat, waardoor complementair geel licht wordt geproduceerd, wat resulteert in witte emissie. Evenzo bereikte Boston University wit licht door AlInGaP over GaN-gebaseerde blauwe LED's te layeren.

Processtroom van LED epitaxiale wafers

Epitaxiale groei:
Substraat → Structureel ontwerp → Bufferlaag → N-type GaN-laag → MQW-emissielaag → P-type GaN-laag → Uitgloeien → Optische/röntgeninspectie → Wafer voltooiing

Chipfabricage:
Wafer → Maskerontwerp & Lithografie → Ionetsen → N-elektrode depositie/uitgloeien → P-elektrode depositie/uitgloeien → Dicing → Sorteren & Binning