Từ nguyên lý hoạt động của đèn LED, rõ ràng vật liệu màng mỏng epitaxy là thành phần cốt lõi của đèn LED. Trên thực tế, các thông số quang điện tử quan trọng như bước sóng, độ sáng và điện áp thuận phần lớn được quyết định bởi vật liệu epitaxy. Công nghệ và thiết bị màng mỏng epitaxy rất quan trọng đối với quy trình sản xuất, trong đó phương pháp lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD) là phương pháp chính để nuôi cấy các lớp tinh thể đơn mỏng của các hợp chất III-V, II-VI và hợp kim của chúng. Dưới đây là một số xu hướng tương lai trong công nghệ màng mỏng epitaxy đèn LED.
1. Cải tiến quy trình tăng trưởng hai bước
Hiện nay, sản xuất thương mại sử dụng quy trình tăng trưởng hai bước, nhưng số lượng chất nền có thể được nạp cùng một lúc bị hạn chế. Mặc dù các hệ thống 6 tấm wafer đã hoàn thiện, nhưng các máy xử lý khoảng 20 tấm wafer vẫn đang trong quá trình phát triển. Việc tăng số lượng wafer thường dẫn đến sự không đồng nhất trong các lớp epitaxy. Sự phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào hai hướng:
- Phát triển các công nghệ cho phép nạp nhiều chất nền hơn vào một buồng phản ứng duy nhất, giúp chúng phù hợp hơn cho sản xuất quy mô lớn và giảm chi phí.
- Phát triển thiết bị sản xuất wafer đơn tự động hóa cao, có khả năng lặp lại kết quả.
2. Công nghệ epitaxy pha hơi hydride (HVPE)
Công nghệ này cho phép tạo ra các màng dày với mật độ sai lệch thấp một cách nhanh chóng, có thể dùng làm chất nền cho quá trình tăng trưởng đồng epitaxy bằng các phương pháp khác. Ngoài ra, các màng GaN được tách ra từ chất nền có thể trở thành lựa chọn thay thế cho các chip tinh thể đơn GaN khối. Tuy nhiên, HVPE cũng có những nhược điểm, chẳng hạn như khó kiểm soát độ dày chính xác và khí phản ứng ăn mòn, cản trở việc cải thiện hơn nữa độ tinh khiết của vật liệu GaN.
GaN HVPE pha tạp Si
(a) Cấu trúc của lò phản ứng HVPE-GaN pha tạp Si; (b) Hình ảnh của lớp HVPE-GaN pha tạp Si dày 800 μm;
(c) Phân bố nồng độ hạt tải điện tự do dọc theo đường kính của GaN HVPE pha tạp Si
3. Công nghệ tăng trưởng epitaxy chọn lọc hoặc tăng trưởng epitaxy theo chiều ngang
Kỹ thuật này có thể làm giảm mật độ sai lệch cấu trúc hơn nữa và cải thiện chất lượng tinh thể của các lớp màng GaN mọc trên đế. Quy trình bao gồm:
- Phủ một lớp GaN lên chất nền phù hợp (sapphire hoặc SiC).
- Phủ một lớp mặt nạ SiO₂ đa tinh thể lên trên.
- Sử dụng phương pháp quang khắc và khắc ăn mòn để tạo ra các cửa sổ GaN và các dải mặt nạ SiO₂.Trong quá trình phát triển tiếp theo, GaN trước tiên phát triển theo chiều dọc trong các cửa sổ và sau đó theo chiều ngang trên các dải SiO₂.
Tấm wafer GaN trên sapphire của XKH
4. Công nghệ Pendeo-Epitaxy
Phương pháp này giúp giảm đáng kể các khuyết tật mạng tinh thể do sự không phù hợp về mạng tinh thể và nhiệt giữa chất nền và lớp màng mỏng, từ đó nâng cao hơn nữa chất lượng tinh thể GaN. Các bước thực hiện bao gồm:
- Nuôi cấy lớp màng GaN dạng epitaxy trên chất nền phù hợp (6H-SiC hoặc Si) bằng quy trình hai bước.
- Thực hiện quá trình khắc chọn lọc lớp màng mỏng xuống đến lớp nền, tạo ra cấu trúc xen kẽ giữa các cột (GaN/lớp đệm/lớp nền) và các rãnh.
- Phát triển thêm các lớp GaN, kéo dài theo chiều ngang từ các thành bên của các trụ GaN ban đầu, được treo lơ lửng phía trên các rãnh.Vì không sử dụng mặt nạ, điều này tránh được sự tiếp xúc giữa GaN và vật liệu mặt nạ.
Tấm wafer GaN trên silicon của XKH
5. Phát triển vật liệu màng mỏng cho đèn LED UV bước sóng ngắn
Điều này tạo nền tảng vững chắc cho đèn LED trắng dựa trên chất phát quang được kích thích bằng tia cực tím. Nhiều chất phát quang hiệu suất cao có thể được kích thích bằng ánh sáng tia cực tím, mang lại hiệu suất phát quang cao hơn so với hệ thống YAG:Ce hiện tại, từ đó nâng cao hiệu suất của đèn LED trắng.
6. Công nghệ chip đa giếng lượng tử (MQW)
Trong cấu trúc MQW, các tạp chất khác nhau được pha trộn trong quá trình phát triển lớp phát quang để tạo ra các giếng lượng tử khác nhau. Sự tái kết hợp của các photon phát ra từ các giếng này tạo ra ánh sáng trắng trực tiếp. Phương pháp này cải thiện hiệu suất phát sáng, giảm chi phí và đơn giản hóa việc đóng gói và điều khiển mạch, mặc dù nó đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật hơn.
7. Phát triển công nghệ “Tái chế Photon”
Vào tháng 1 năm 1999, công ty Sumitomo của Nhật Bản đã phát triển đèn LED trắng sử dụng vật liệu ZnSe. Công nghệ này bao gồm việc nuôi cấy một lớp màng mỏng CdZnSe trên chất nền tinh thể đơn ZnSe. Khi được cấp điện, lớp màng phát ra ánh sáng xanh lam, tương tác với chất nền ZnSe để tạo ra ánh sáng vàng bổ sung, tạo ra ánh sáng trắng. Tương tự, Trung tâm Nghiên cứu Quang tử của Đại học Boston đã xếp chồng hợp chất bán dẫn AlInGaP lên đèn LED GaN màu xanh lam để tạo ra ánh sáng trắng.
8. Quy trình sản xuất tấm bán dẫn LED Epitaxial
① Chế tạo tấm bán dẫn màng mỏng:
Lớp nền → Thiết kế cấu trúc → Phát triển lớp đệm → Phát triển lớp GaN loại N → Phát triển lớp phát quang MQW → Phát triển lớp GaN loại P → Ủ nhiệt → Kiểm tra (quang phát quang, tia X) → Tấm wafer epitaxy
② Chế tạo chip:
Tấm bán dẫn epitaxy → Thiết kế và chế tạo mặt nạ → Quang khắc → Khắc ion → Điện cực loại N (lắng đọng, ủ, khắc) → Điện cực loại P (lắng đọng, ủ, khắc) → Cắt lát → Kiểm tra và phân loại chip.
Tấm wafer GaN trên SiC của ZMSH
Thời gian đăng bài: 25/7/2025