Princípios técnicos e processos de wafers epitaxiais de LED

A partir do princípio de funcionamento dos LEDs, fica evidente que o material da pastilha epitaxial é o componente central de um LED. De fato, parâmetros optoeletrônicos importantes, como comprimento de onda, brilho e tensão direta, são amplamente determinados pelo material epitaxial. A tecnologia e os equipamentos para pastilhas epitaxiais são essenciais para o processo de fabricação, sendo a Deposição Química de Vapor Metal-Orgânica (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 pastilhas epitaxiais para LEDs.

1. Melhoria do processo de crescimento em duas etapas

Atualmente, a produção comercial utiliza 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 estejam maduros, máquinas que processam cerca de 20 wafers ainda estão em desenvolvimento. O aumento do número de wafers frequentemente leva à 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.
• Avançando em equipamentos de wafer único altamente automatizados e repetíveis.

2. Tecnologia de epitaxia em fase de vapor de hidreto (HVPE)

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

HVPE-GaN dopado com Si

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

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

3. Crescimento Epitaxial Seletivo ou Tecnologia de Crescimento Epitaxial Lateral

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

• Depositar uma camada de GaN em um substrato adequado (safira ou SiC).
• Depositando uma camada de máscara de SiO₂ policristalina na parte superior.
• Usando fotolitografia e gravação para criar janelas de GaN e tiras de máscara de SiO₂.Durante o crescimento subsequente, o GaN cresce primeiro verticalmente nas janelas e depois lateralmente sobre as tiras de SiO₂.

Wafer GaN-on-Sapphire da XKH

4. Tecnologia Pendeo-Epitaxia

Este método reduz significativamente os defeitos de rede causados pela incompatibilidade térmica e de rede entre o substrato e a camada epitaxial, aprimorando ainda mais a qualidade dos cristais de GaN. As etapas incluem:

• Crescimento de uma camada epitaxial de GaN em um substrato adequado (6H-SiC ou Si) usando um processo de duas etapas.
• Realização de corrosão seletiva da camada epitaxial até o substrato, criando estruturas alternadas de pilares (GaN/tampão/substrato) e trincheiras.
• Crescimento de camadas adicionais de GaN, que se estendem lateralmente a partir das paredes laterais dos pilares originais de GaN, suspensas sobre as trincheiras.Como nenhuma máscara é usada, isso evita o contato entre o GaN e os materiais da máscara.

Wafer de GaN sobre silício da XKH

5. Desenvolvimento de materiais epitaxiais de LED 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 atual sistema YAG:Ce, melhorando assim o desempenho dos LEDs brancos.

6. Tecnologia de chip de poço multiquântico (MQW)

Em estruturas MQW, diferentes impurezas são dopadas 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 o encapsulamento e o controle do circuito, embora apresente maiores desafios técnicos.

7. Desenvolvimento da Tecnologia de “Reciclagem de Fótons”

Em janeiro de 1999, a Sumitomo, do Japão, desenvolveu um LED branco utilizando material ZnSe. A tecnologia envolve o crescimento de uma película fina 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. Da mesma forma, o Centro de Pesquisa Fotônica da Universidade de Boston empilhou um composto semicondutor AlInGaP sobre um LED GaN azul para gerar luz branca.

8. Fluxo do processo de wafer epitaxial de LED

① Fabricação de wafers epitaxiais:
Substrato → Projeto estrutural → Crescimento da camada tampão → Crescimento da camada GaN tipo N → Crescimento da camada emissora de luz MQW → Crescimento da camada GaN tipo P → Recozimento → Teste (fotoluminescência, raio 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 em cubos → Inspeção e classificação de chips.

Wafer GaN-on-SiC da ZMSH