Technische Grundlagen und Prozesse von LED-Epitaxiewafern

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

1. Verbesserung des zweistufigen Wachstumsprozesses

Aktuell wird in der kommerziellen Produktion ein zweistufiges Wachstumsverfahren eingesetzt, die Anzahl der gleichzeitig bestückbaren Substrate ist jedoch begrenzt. Während 6-Wafer-Systeme ausgereift sind, befinden sich Maschinen für etwa 20 Wafer noch in der Entwicklung. Eine Erhöhung der Waferanzahl führt häufig zu unzureichender Gleichmäßigkeit der Epitaxieschichten. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich daher auf zwei Richtungen:

• Entwicklung von Technologien, die es ermöglichen, mehr Substrate in einer einzigen Reaktionskammer zu laden, wodurch diese besser für die Produktion im großen Maßstab geeignet werden und die Kosten gesenkt werden können.
• Weiterentwicklung hochautomatisierter, wiederholgenauer Einzelwafer-Anlagen.

2. Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE)-Technologie

Diese Technologie ermöglicht das schnelle Wachstum dicker Schichten mit geringer Versetzungsdichte, die als Substrate für das homoepitaktische Wachstum mit anderen Verfahren dienen können. Darüber hinaus könnten vom Substrat abgelöste GaN-Schichten eine Alternative zu einkristallinen GaN-Chips darstellen. Allerdings weist die HVPE Nachteile auf, wie die Schwierigkeit der 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 einer 800 μm dicken Si-dotierten HVPE-GaN-Schicht;

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

3. Selektives epitaktisches Wachstum oder laterales epitaktisches Wachstum

Dieses Verfahren kann die Versetzungsdichte weiter reduzieren und die Kristallqualität von GaN-Epitaxieschichten verbessern. Der Prozess umfasst Folgendes:

• Abscheidung einer GaN-Schicht auf einem geeigneten Substrat (Saphir oder SiC).
• Aufbringen einer polykristallinen SiO₂-Maskenschicht.
• Mittels Fotolithografie und Ätzverfahren werden GaN-Fenster und SiO₂-Maskenstreifen hergestellt.Während des anschließenden Wachstums wächst GaN zunächst vertikal in den Fenstern und dann lateral über die SiO₂-Streifen.

XKHs GaN-auf-Saphir-Wafer

4. Pendeo-Epitaxie-Technologie

Dieses Verfahren reduziert Gitterdefekte, die durch Gitter- und Temperaturfehlanpassung zwischen Substrat und Epitaxieschicht verursacht werden, signifikant und verbessert so die GaN-Kristallqualität weiter. Die Schritte umfassen:

• Aufwachsen einer GaN-Epitaxieschicht auf einem geeigneten Substrat (6H-SiC oder Si) mittels eines zweistufigen Verfahrens.
• Selektives Ätzen der Epitaxieschicht bis zum Substrat, wodurch abwechselnd Säulen- (GaN/Puffer/Substrat) und Grabenstrukturen entstehen.
• Zusätzliche GaN-Schichten werden aufgebracht, die sich seitlich von den Seitenwänden der ursprünglichen GaN-Säulen erstrecken und über den Gräben schweben.Da keine Maske verwendet wird, wird der Kontakt zwischen GaN und Maskenmaterialien vermieden.

XKHs GaN-auf-Silizium-Wafer

5. Entwicklung von epitaktischen Materialien für kurzwellige UV-LEDs

Dies schafft eine solide Grundlage für UV-angeregte, phosphorbasierte weiße LEDs. Viele hocheffiziente Phosphore lassen sich durch UV-Licht anregen und bieten eine höhere Lichtausbeute als das derzeitige YAG:Ce-System, wodurch die Leistung weißer LEDs verbessert wird.

6. Multi-Quantentopf-Chip-Technologie (MQW)

In MQW-Strukturen werden während des Wachstums der lichtemittierenden Schicht verschiedene Verunreinigungen eingebracht, um unterschiedlich große Quantentöpfe zu erzeugen. Die Rekombination der aus diesen Quantentöpfen emittierten Photonen erzeugt direkt weißes Licht. Dieses Verfahren verbessert die Lichtausbeute, senkt die Kosten und vereinfacht die Gehäuse- und Schaltungssteuerung, stellt jedoch größere technische Herausforderungen dar.

7. Entwicklung der „Photonenrecycling“-Technologie

Im Januar 1999 entwickelte das japanische Unternehmen Sumitomo eine weiße LED auf Basis von ZnSe. Das Verfahren beruht auf dem Aufwachsen eines CdZnSe-Dünnfilms auf einem ZnSe-Einkristallsubstrat. Wird der Film elektrisch betrieben, emittiert er blaues Licht, das mit dem ZnSe-Substrat interagiert und so komplementäres gelbes Licht erzeugt, wodurch weißes Licht entsteht. Ähnlich erzeugte das Photonics Research Center der Boston University durch das Aufbringen einer AlInGaP-Halbleiterverbindung auf eine blaue GaN-LED weißes Licht.

8. Prozessablauf für LED-Epitaxiewafer

① Epitaxiale Waferherstellung:
Substrat → Strukturdesign → Wachstum der Pufferschicht → Wachstum der n-leitenden GaN-Schicht → Wachstum der MQW-Leuchtschicht → Wachstum der p-leitenden GaN-Schicht → Tempern → Prüfung (Photolumineszenz, Röntgen) → Epitaxie-Wafer

② Chipherstellung:
Epitaxialer Wafer → Maskendesign und -herstellung → Fotolithografie → Ionenätzen → N-Typ-Elektrode (Abscheidung, Tempern, Ätzen) → P-Typ-Elektrode (Abscheidung, Tempern, Ätzen) → Vereinzeln → Chipinspektion und -klassifizierung.

ZMSHs GaN-auf-SiC-Wafer