Princípios técnicos e processos de wafers epitaxiais de LED

A partir do princípio de funcionamento dos LEDs, fica evidente que o material do wafer epitaxial é o componente central de um LED. De fato, parâmetros optoeletrônicos essenciais, como comprimento de onda, brilho e tensão direta, são amplamente determinados pelo material epitaxial. A tecnologia e os equipamentos para wafers epitaxiais são cruciais para o processo de fabricação, sendo a Deposição Química de Vapor Metalorgânica (MOCVD) o principal método para o crescimento de finas camadas monocristalinas de compostos III-V, II-VI e suas ligas. Abaixo, apresentamos algumas tendências futuras na tecnologia de wafers epitaxiais para LEDs.

1. Aprimoramento do Processo de Crescimento em Duas Etapas

Atualmente, a produção comercial emprega um processo de crescimento em duas etapas, mas o número de substratos que podem ser carregados simultaneamente é limitado. Embora os sistemas de 6 wafers sejam maduros, as máquinas que processam cerca de 20 wafers ainda estão em desenvolvimento. O aumento do número de wafers frequentemente leva a uma uniformidade insuficiente nas camadas epitaxiais. Os desenvolvimentos futuros se concentrarão em duas direções:

• Desenvolver tecnologias que permitam carregar mais substratos em uma única câmara de reação, tornando-as mais adequadas para produção em larga escala e redução de custos.
• Avanços em equipamentos de wafer único altamente automatizados e repetíveis.

2. Tecnologia de Epitaxia em Fase Vapor de Hidreto (HVPE)

Essa tecnologia permite o crescimento rápido de filmes espessos com baixa densidade de discordâncias, que podem servir como substratos para o crescimento homoepitaxial utilizando outros métodos. Além disso, filmes de GaN separados do substrato podem se tornar alternativas aos chips monocristalinos de GaN. No entanto, a HVPE apresenta desvantagens, como a dificuldade no controle preciso da espessura e os gases de reação corrosivos que dificultam o aprimoramento da pureza do material GaN.

GaN dopado com Si por HVPE

(a) Estrutura do reator HVPE-GaN dopado com Si; (b) Imagem de uma camada de 800 μm de espessura de HVPE-GaN dopado com Si;

(c) Distribuição da concentração de portadores livres ao longo do diâmetro do GaN dopado com Si obtido por HVPE

3. Tecnologia de crescimento epitaxial seletivo ou crescimento epitaxial lateral

Essa técnica pode reduzir ainda mais a densidade de deslocamentos e melhorar a qualidade cristalina das camadas epitaxiais de GaN. O processo envolve:

• Depositar uma camada de GaN sobre um substrato adequado (safira ou SiC).
• Depositando uma camada de máscara de SiO₂ policristalino por cima.
• Utilizando fotolitografia e corrosão para criar janelas de GaN e faixas de máscara de SiO₂.Durante o crescimento subsequente, o GaN cresce primeiro verticalmente nas janelas e depois lateralmente sobre as tiras de SiO₂.

Wafer de GaN sobre safira da XKH

4. Tecnologia Pendeo-Epitaxia

Este método reduz significativamente os defeitos da rede cristalina causados ​​pela incompatibilidade térmica e de rede entre o substrato e a camada epitaxial, melhorando ainda mais a qualidade do cristal de GaN. As etapas incluem:

• Crescimento de uma camada epitaxial de GaN sobre um substrato adequado (6H-SiC ou Si) utilizando um processo de duas etapas.
• Realização de ataque químico seletivo da camada epitaxial até o substrato, criando estruturas alternadas de pilares (GaN/buffer/substrato) e trincheiras.
• Crescimento de camadas adicionais de GaN, que se estendem lateralmente a partir das paredes laterais dos pilares de GaN originais, suspensos sobre as trincheiras.Como não se utiliza máscara, isso evita o contato entre o GaN e os materiais da máscara.

Wafer de GaN sobre silício da XKH

5. Desenvolvimento de materiais epitaxiais para LEDs UV de comprimento de onda curto

Isso estabelece uma base sólida para LEDs brancos à base de fósforo excitados por UV. Muitos fósforos de alta eficiência podem ser excitados por luz UV, oferecendo maior eficiência luminosa do que o sistema YAG:Ce atual, aprimorando assim o desempenho dos LEDs brancos.

6. Tecnologia de Chip de Múltiplos Poços Quânticos (MQW)

Em estruturas MQW, diferentes impurezas são adicionadas durante o crescimento da camada emissora de luz para criar poços quânticos variáveis. A recombinação dos fótons emitidos por esses poços produz luz branca diretamente. Esse método melhora a eficiência luminosa, reduz custos e simplifica a embalagem e o controle do circuito, embora apresente maiores desafios técnicos.

7. Desenvolvimento da tecnologia de “reciclagem de fótons”

Em janeiro de 1999, a empresa japonesa Sumitomo desenvolveu um LED branco utilizando ZnSe. A tecnologia consiste no crescimento de uma fina camada de CdZnSe sobre um substrato monocristalino de ZnSe. Quando eletrificado, o filme emite luz azul, que interage com o substrato de ZnSe para produzir luz amarela complementar, resultando em luz branca. De forma semelhante, o Centro de Pesquisa em Fotônica da Universidade de Boston empilhou um composto semicondutor de AlInGaP sobre um LED azul de GaN para gerar luz branca.

8. Fluxo do Processo de Fabricação de Wafer Epitaxial de LED

① Fabricação de wafers epitaxiais:
Substrato → Projeto estrutural → Crescimento da camada tampão → Crescimento da camada de GaN tipo N → Crescimento da camada emissora de luz MQW → Crescimento da camada de GaN tipo P → Recozimento → Testes (fotoluminescência, raios X) → Wafer epitaxial

② Fabricação de chips:
Wafer epitaxial → Projeto e fabricação de máscara → Fotolitografia → Gravação iônica → Eletrodo tipo N (deposição, recozimento, gravação) → Eletrodo tipo P (deposição, recozimento, gravação) → Corte → Inspeção e classificação de chips.

wafer GaN-on-SiC da ZMSH