Từ nguyên lý hoạt động của đèn LED, rõ ràng vật liệu wafer epitaxial 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 xác định bởi vật liệu epitaxial. Công nghệ và thiết bị wafer epitaxial đóng vai trò then chốt trong quy trình sản xuất, với lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD) là phương pháp chính để tạo ra các lớp tinh thể đơn mỏng của hợp chất III-V, II-VI và hợp kim của chúng. Dưới đây là một số xu hướng tương lai trong công nghệ wafer epitaxial LED.
1. Cải thiện quy trình tăng trưởng hai bước
Hiện nay, sản xuất thương mại sử dụng quy trình tăng trưởng hai bước, nhưng số lượng đế có thể nạp cùng lúc còn hạn chế. Mặc dù hệ thống 6 wafer đã hoàn thiện, nhưng các máy xử lý khoảng 20 wafer vẫn đang được phát triển. Việc tăng số lượng wafer thường dẫn đến độ đồng đều không đủ ở các lớp epitaxy. Các 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 với sản xuất quy mô lớn và giảm chi phí.
- Phát triển thiết bị wafer đơn có khả năng tự động hóa cao và lặp lại được.
2. Công nghệ Epitaxy pha hơi Hydride (HVPE)
Công nghệ này cho phép tạo ra các màng dày với mật độ lệch vị trí thấp, có thể được sử dụng làm chất nền cho quá trình phát triển homoepitaxial bằng các phương pháp khác. Ngoài ra, màng GaN tách ra khỏi chất nền có thể trở thành lựa chọn thay thế cho chip đơn tinh thể GaN khối. Tuy nhiên, HVPE có những nhược điểm như khó kiểm soát độ dày chính xác và khí phản ứng ăn mòn, cản trở việc cải thiện độ tinh khiết của vật liệu GaN.
HVPE-GaN pha tạp Si
(a) Cấu trúc lò phản ứng HVPE-GaN pha tạp Si; (b) Hình ảnh HVPE-GaN pha tạp Si dày 800 μm;
(c) Phân bố nồng độ hạt tải tự do dọc theo đường kính của HVPE-GaN pha tạp Si
3. Công nghệ tăng trưởng epitaxial chọn lọc hoặc tăng trưởng epitaxial bên
Kỹ thuật này có thể làm giảm thêm mật độ sai lệch và cải thiện chất lượng tinh thể của các lớp epitaxy GaN. Quy trình bao gồm:
- Phủ một lớp GaN lên một chất nền thích hợp (sapphire hoặc SiC).
- Phủ một lớp mặt nạ SiO₂ đa tinh thể lên trên.
- Sử dụng phương pháp quang khắc và khắc để tạo ra các cửa sổ GaN và dải mặt nạ SiO₂.Trong quá trình phát triển tiếp theo, GaN đầu tiên phát triển theo chiều dọc trong các cửa sổ và sau đó phát triển theo chiều ngang trên các dải SiO₂.
Tấm wafer GaN trên Sapphire của XKH
4. Công nghệ Pendeo-Epitaxy
Phương pháp này làm giảm đáng kể các khuyết tật mạng tinh thể do sự không tương thích về mạng tinh thể và nhiệt độ giữa lớp nền và lớp epitaxy, đồng thời cải thiện hơn nữa chất lượng tinh thể GaN. Các bước bao gồm:
- Phát triển lớp epitaxial GaN trên chất nền thích hợp (6H-SiC hoặc Si) bằng quy trình hai bước.
- Thực hiện quá trình khắc chọn lọc lớp epitaxy xuống tới chất nền, tạo ra các cấu trúc trụ (GaN/đệm/chất nền) và rãnh xen kẽ.
- Phát triển thêm các lớp GaN, kéo dài theo chiều ngang từ các thành bên của các trụ GaN ban đầu, treo lơ lửng trên các rãnh.Vì không sử dụng mặt nạ nên tránh được sự tiếp xúc giữa GaN và vật liệu mặt nạ.
Tấm wafer GaN trên silicon của XKH
5. Phát triển vật liệu Epitaxy UV LED bước sóng ngắn
Điều này đặt nền tảng vững chắc cho đèn LED trắng gốc phốt pho kích thích bằng tia UV. Nhiều loại phốt pho hiệu suất cao có thể được kích thích bằng tia UV, mang lại hiệu suất phát sáng cao hơn hệ thống YAG:Ce hiện tại, nhờ đó cải thiện hiệu suất đèn LED trắng.
6. Công nghệ chip giếng đa lượng tử (MQW)
Trong cấu trúc MQW, các tạp chất khác nhau được pha tạp trong quá trình phát triển lớp phát sáng để tạo ra các giếng lượng tử khác nhau. Sự tái 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 những thách thức kỹ thuật lớn hơn.
7. Phát triển công nghệ “Tái chế Photon”
Vào tháng 1 năm 1999, Sumitomo của Nhật Bản đã phát triển đèn LED trắng sử dụng vật liệu ZnSe. Công nghệ này bao gồm việc phát triển một màng mỏng CdZnSe trên đế tinh thể đơn ZnSe. Khi được cấp điện, màng mỏng phát ra ánh sáng xanh lam, tương tác với đế 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 một hợp chất bán dẫn AlInGaP lên một đèn LED GaN xanh lam để tạo ra ánh sáng trắng.
8. Quy trình sản xuất wafer epitaxial LED
① Chế tạo wafer epitaxial:
Chất nền → Thiết kế cấu trúc → Phát triển lớp đệm → Phát triển lớp GaN loại N → Phát triển lớp phát sáng MQW → Phát triển lớp GaN loại P → Ủ → Kiểm tra (phát quang, tia X) → Tấm wafer epitaxy
② Chế tạo chip:
Tấm wafer epitaxial → 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 hạt lựu → Kiểm tra và phân loại chip.
Tấm wafer GaN-on-SiC của ZMSH
Thời gian đăng: 25-07-2025