จากหลักการทำงานของ LED จะเห็นได้ชัดว่าวัสดุแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลเป็นส่วนประกอบหลักของ LED อันที่จริง พารามิเตอร์ทางอิเล็กโทรออปติกที่สำคัญ เช่น ความยาวคลื่น ความสว่าง และแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยวัสดุเอพิแท็กเซียล เทคโนโลยีและอุปกรณ์แผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อกระบวนการผลิต โดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เป็นวิธีการหลักในการปลูกชั้นผลึกเดี่ยวบางๆ ของสารประกอบ III-V, II-VI และโลหะผสมของพวกมัน ด้านล่างนี้คือแนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยีแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลสำหรับ LED
1. การปรับปรุงกระบวนการเจริญเติบโตแบบสองขั้นตอน
ปัจจุบัน การผลิตเชิงพาณิชย์ใช้กระบวนการเติบโตแบบสองขั้นตอน แต่จำนวนแผ่นเวเฟอร์ที่สามารถโหลดพร้อมกันได้นั้นมีจำกัด แม้ว่าระบบ 6 แผ่นเวเฟอร์จะพัฒนาเต็มที่แล้ว แต่เครื่องจักรที่รองรับประมาณ 20 แผ่นเวเฟอร์ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา การเพิ่มจำนวนแผ่นเวเฟอร์มักนำไปสู่ความสม่ำเสมอที่ไม่เพียงพอในชั้นเอพิแท็กเซียล การพัฒนาในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่สองทิศทาง:
- การพัฒนาเทคโนโลยีที่ช่วยให้สามารถบรรจุสารตั้งต้นได้มากขึ้นในห้องปฏิกิริยาเดียว ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่และลดต้นทุนได้มากขึ้น
- พัฒนาอุปกรณ์การผลิตเวเฟอร์เดี่ยวแบบอัตโนมัติสูงและให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้
2. เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบไอระเหยไฮไดรด์ (Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE)
เทคโนโลยีนี้ช่วยให้สามารถสร้างฟิล์มหนาที่มีความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนต่ำได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถใช้เป็นพื้นผิวสำหรับการเจริญเติบโตแบบโฮโมอิพิแท็กเซียลโดยใช้วิธีการอื่น ๆ นอกจากนี้ ฟิล์ม GaN ที่แยกออกจากพื้นผิวอาจกลายเป็นทางเลือกแทนชิปผลึกเดี่ยว GaN ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม HVPE ก็มีข้อเสีย เช่น ความยากในการควบคุมความหนาอย่างแม่นยำ และก๊าซปฏิกิริยาที่กัดกร่อนซึ่งขัดขวางการปรับปรุงความบริสุทธิ์ของวัสดุ GaN ให้ดียิ่งขึ้น
ซิลิคอนเจือปน HVPE-GaN
(ก) โครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์ HVPE-GaN ที่เจือด้วยซิลิคอน; (ข) ภาพของ HVPE-GaN ที่เจือด้วยซิลิคอนหนา 800 ไมโครเมตร;
(c) การกระจายตัวของความเข้มข้นของพาหะอิสระตามเส้นผ่านศูนย์กลางของ Si-doped HVPE-GaN
3. เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของเอพิแท็กเซียแบบเลือกเฉพาะ หรือการเจริญเติบโตของเอพิแท็กเซียด้านข้าง
เทคนิคนี้สามารถลดความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนและปรับปรุงคุณภาพผลึกของชั้นฟิล์มบาง GaN ได้ดียิ่งขึ้น กระบวนการนี้ประกอบด้วย:
- การเคลือบชั้น GaN ลงบนพื้นผิวที่เหมาะสม (แซฟไฟร์หรือ SiC)
- โดยการเคลือบชั้นมาสก์ SiO₂ แบบผลึกหลายเหลี่ยมไว้ด้านบน
- ใช้กระบวนการโฟโตลิโทกราฟีและการกัดเพื่อสร้างหน้าต่าง GaN และแถบมาสก์ SiO₂ในระหว่างการเจริญเติบโตในขั้นตอนต่อมา GaN จะเจริญเติบโตในแนวตั้งภายในช่องหน้าต่างก่อน จากนั้นจึงเจริญเติบโตในแนวนอนเหนือแถบ SiO₂
แผ่นเวเฟอร์ GaN บนแซฟไฟร์ของ XKH
4. เทคโนโลยีการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อแบบเพนดีโอ-เอพิแท็กซี
วิธีนี้ช่วยลดข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึกที่เกิดจากความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกและความร้อนระหว่างพื้นผิวและชั้นเอพิแทกเซียได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณภาพของผลึก GaN ให้ดียิ่งขึ้น ขั้นตอนต่างๆ มีดังนี้:
- การปลูกชั้นเอพิแท็กเซียล GaN บนพื้นผิวที่เหมาะสม (6H-SiC หรือ Si) โดยใช้กระบวนการสองขั้นตอน
- ทำการกัดเซาะชั้นเอพิแท็กเซียลแบบเลือกเฉพาะลงไปจนถึงพื้นผิว ทำให้เกิดโครงสร้างแบบเสา (GaN/บัฟเฟอร์/พื้นผิว) และร่องสลับกัน
- โดยการปลูกชั้น GaN เพิ่มเติม ซึ่งขยายออกไปด้านข้างจากผนังด้านข้างของเสา GaN เดิมที่แขวนอยู่เหนือร่องเนื่องจากไม่มีการใช้หน้ากาก จึงช่วยหลีกเลี่ยงการสัมผัสระหว่าง GaN กับวัสดุหน้ากาก
แผ่นเวเฟอร์ GaN บนซิลิคอนของ XKH
5. การพัฒนาวัสดุเอพิแท็กเซียลสำหรับ LED UV คลื่นสั้น
สิ่งนี้เป็นการวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับ LED สีขาวที่ใช้ฟอสฟอร์ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยรังสียูวี ฟอสฟอร์ประสิทธิภาพสูงหลายชนิดสามารถถูกกระตุ้นด้วยรังสียูวี ทำให้มีประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงกว่าระบบ YAG:Ce ในปัจจุบัน ซึ่งจะช่วยพัฒนาประสิทธิภาพของ LED สีขาวให้ดียิ่งขึ้น
6. เทคโนโลยีชิปแบบมัลติควอนตัมเวลล์ (MQW)
ในโครงสร้าง MQW นั้น จะมีการเติมสารเจือปนต่าง ๆ ในระหว่างการเจริญเติบโตของชั้นเปล่งแสงเพื่อสร้างบ่อควอนตัมที่มีขนาดแตกต่างกัน การรวมตัวกันของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากบ่อเหล่านี้จะทำให้เกิดแสงสีขาวโดยตรง วิธีนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่องสว่าง ลดต้นทุน และทำให้การบรรจุภัณฑ์และการควบคุมวงจรทำได้ง่ายขึ้น แม้ว่าจะมีความท้าทายทางเทคนิคมากกว่าก็ตาม
7. การพัฒนาเทคโนโลยี “การรีไซเคิลโฟตอน”
ในเดือนมกราคมปี 1999 บริษัท Sumitomo ของญี่ปุ่นได้พัฒนา LED สีขาวโดยใช้วัสดุ ZnSe เทคโนโลยีนี้เกี่ยวข้องกับการปลูกฟิล์มบาง CdZnSe บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว ZnSe เมื่อได้รับกระแสไฟฟ้า ฟิล์มจะปล่อยแสงสีน้ำเงิน ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับพื้นผิว ZnSe เพื่อสร้างแสงสีเหลืองที่เสริมกัน ส่งผลให้เกิดแสงสีขาว ในทำนองเดียวกัน ศูนย์วิจัยโฟโตนิกส์ของมหาวิทยาลัยบอสตันได้ซ้อนสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ AlInGaP บน LED สีน้ำเงิน GaN เพื่อสร้างแสงสีขาว
8. กระบวนการผลิตเวเฟอร์ LED แบบเอพิแท็กเซียล
① การผลิตเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียล:
วัสดุตั้งต้น → การออกแบบโครงสร้าง → การเจริญเติบโตของชั้นบัฟเฟอร์ → การเจริญเติบโตของชั้น GaN ชนิด N → การเจริญเติบโตของชั้นเปล่งแสง MQW → การเจริญเติบโตของชั้น GaN ชนิด P → การอบอ่อน → การทดสอบ (การเรืองแสงด้วยแสง, รังสีเอ็กซ์) → เวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียล
② การผลิตชิป:
เวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียล → การออกแบบและการผลิตมาสก์ → โฟโตลิโทกราฟี → การกัดด้วยไอออน → อิเล็กโทรดชนิด N (การตกตะกอน การอบ การกัด) → อิเล็กโทรดชนิด P (การตกตะกอน การอบ การกัด) → การตัดแบ่ง → การตรวจสอบและจัดเกรดชิป
แผ่นเวเฟอร์ GaN บน SiC ของ ZMSH
วันที่เผยแพร่: 25 กรกฎาคม 2568