Technische Prinzipien und Prozesse von LED-Epitaxie-Wafern

Aus dem Funktionsprinzip von LEDs geht hervor, dass das Epitaxie-Wafer-Material die Kernkomponente einer LED ist. Tatsächlich werden wichtige optoelektronische Parameter wie Wellenlänge, Helligkeit und Durchlassspannung maßgeblich durch das Epitaxie-Material bestimmt. Epitaxie-Wafer-Technologie und -Ausrüstung sind für den Herstellungsprozess von entscheidender Bedeutung. Die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) ist die primäre Methode zum Züchten dünner Einkristallschichten aus III-V-, II-VI-Verbindungen und deren Legierungen. Im Folgenden werden einige zukünftige Trends in der LED-Epitaxie-Wafer-Technologie vorgestellt.

1. Verbesserung des zweistufigen Wachstumsprozesses

Derzeit wird in der kommerziellen Produktion ein zweistufiger Wachstumsprozess eingesetzt, wobei die Anzahl der gleichzeitig bestückbaren Substrate begrenzt ist. Während 6-Wafer-Systeme ausgereift sind, befinden sich Maschinen für etwa 20 Wafer noch in der Entwicklung. Eine zunehmende Waferanzahl führt häufig zu einer unzureichenden Gleichmäßigkeit der epitaktischen Schichten. Zukünftige Entwicklungen werden sich auf zwei Bereiche konzentrieren:

• Entwicklung von Technologien, die das Laden mehrerer Substrate in eine einzelne Reaktionskammer ermöglichen, wodurch diese besser für die Produktion im großen Maßstab geeignet sind und Kosten gesenkt werden können.
• Weiterentwicklung hochautomatisierter, wiederholbarer Einzelwafer-Geräte.

2. Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE)-Technologie

Diese Technologie ermöglicht das schnelle Wachstum dicker Schichten mit geringer Versetzungsdichte, die als Substrate für homoepitaktisches Wachstum mit anderen Methoden dienen können. Darüber hinaus könnten vom Substrat getrennte GaN-Schichten eine Alternative zu massiven GaN-Einkristallchips darstellen. HVPE hat jedoch Nachteile, wie z. B. die Schwierigkeit einer präzisen Dickenkontrolle und korrosive Reaktionsgase, die eine weitere Verbesserung der GaN-Materialreinheit behindern.

Si-dotiertes HVPE-GaN

(a) Struktur eines Si-dotierten HVPE-GaN-Reaktors; (b) Bild eines 800 μm dicken Si-dotierten HVPE-GaN;

(c) Verteilung der freien Trägerkonzentration entlang des Durchmessers von Si-dotiertem HVPE-GaN

3. Selektives epitaktisches Wachstum oder laterale epitaktische Wachstumstechnologie

Mit dieser Technik kann die Versetzungsdichte weiter reduziert und die Kristallqualität epitaktischer GaN-Schichten verbessert werden. Der Prozess umfasst:

• Abscheidung einer GaN-Schicht auf einem geeigneten Substrat (Saphir oder SiC).
• Aufbringen einer polykristallinen SiO₂-Maskenschicht darauf.
• Verwendung von Fotolithografie und Ätzen zum Erstellen von GaN-Fenstern und SiO₂-Maskenstreifen.Beim anschließenden Wachstum wächst GaN zunächst vertikal in den Fenstern und dann seitlich über die SiO₂-Streifen.

XKHs GaN-auf-Saphir-Wafer

4. Pendeo-Epitaxie-Technologie

Dieses Verfahren reduziert Gitterdefekte, die durch Gitter- und thermische Fehlanpassung zwischen Substrat und Epitaxieschicht verursacht werden, erheblich und verbessert so die Qualität des GaN-Kristalls weiter. Die Schritte umfassen:

• Aufwachsen einer epitaktischen GaN-Schicht auf einem geeigneten Substrat (6H-SiC oder Si) in einem zweistufigen Verfahren.
• Durch selektives Ätzen der Epitaxieschicht bis zum Substrat werden abwechselnd Säulen- (GaN/Puffer/Substrat) und Grabenstrukturen erzeugt.
• Das Aufwachsen zusätzlicher GaN-Schichten, die sich seitlich von den Seitenwänden der ursprünglichen GaN-Säulen erstrecken, schwebt über den Gräben.Da keine Maske verwendet wird, wird ein Kontakt zwischen GaN und Maskenmaterialien vermieden.

GaN-auf-Silizium-Wafer von XKH

5. Entwicklung von epitaktischen Materialien für kurzwellige UV-LEDs

Dies bildet eine solide Grundlage für UV-angeregte weiße LEDs auf Phosphorbasis. Viele hocheffiziente Leuchtstoffe können durch UV-Licht angeregt werden und bieten eine höhere Lichtausbeute als das aktuelle YAG:Ce-System, wodurch die Leistung weißer LEDs verbessert wird.

6. Multi-Quantum Well (MQW)-Chip-Technologie

Bei MQW-Strukturen werden während des Wachstums der lichtemittierenden Schicht unterschiedliche Verunreinigungen eingebracht, um unterschiedliche Quantentöpfe zu erzeugen. Die Rekombination der aus diesen Töpfen emittierten Photonen erzeugt direkt weißes Licht. Diese Methode verbessert die Lichtausbeute, senkt die Kosten und vereinfacht die Verpackung und Schaltungssteuerung, birgt jedoch größere technische Herausforderungen.

7. Entwicklung der „Photonen-Recycling“-Technologie

Im Januar 1999 entwickelte das japanische Unternehmen Sumitomo eine weiße LED auf Basis von ZnSe-Material. Bei dieser Technologie wird ein dünner CdZnSe-Film auf einem ZnSe-Einkristallsubstrat aufgebracht. Unter Spannung emittiert der Film blaues Licht, das mit dem ZnSe-Substrat interagiert und komplementäres gelbes Licht erzeugt, das weißes Licht erzeugt. Ähnlich verhält es sich mit dem Photonics Research Center der Boston University, das eine AlInGaP-Halbleiterverbindung auf eine blaue GaN-LED aufbringt, um weißes Licht zu erzeugen.

8. Prozessablauf bei epitaktischen LED-Wafern

① Herstellung epitaktischer Wafer:
Substrat → Strukturdesign → Wachstum der Pufferschicht → Wachstum der N-Typ-GaN-Schicht → Wachstum der MQW-Leuchtschicht → Wachstum der P-Typ-GaN-Schicht → Glühen → Prüfung (Photolumineszenz, Röntgen) → Epitaxie-Wafer

② Chipherstellung:
Epitaktischer Wafer → Maskendesign und -herstellung → Fotolithografie → Ionenätzen → N-Typ-Elektrode (Abscheidung, Glühen, Ätzen) → P-Typ-Elektrode (Abscheidung, Glühen, Ätzen) → Zerteilen → Chipprüfung und -klassifizierung.

GaN-auf-SiC-Wafer von ZMSH