จากหลักการทำงานของ LED เห็นได้ชัดว่าวัสดุเวเฟอร์อิพิแทกเซียลเป็นส่วนประกอบหลักของ LED อันที่จริง พารามิเตอร์ทางออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญ เช่น ความยาวคลื่น ความสว่าง และแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยวัสดุอิพิแทกเซียล เทคโนโลยีและอุปกรณ์เวเฟอร์อิพิแทกเซียลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อกระบวนการผลิต โดยวิธีการสะสมไอเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เป็นวิธีหลักในการเพาะชั้นผลึกเดี่ยวบางๆ ของสารประกอบ III-V, II-VI และโลหะผสมของสารประกอบเหล่านี้ ด้านล่างนี้คือแนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยีเวเฟอร์อิพิแทกเซียล LED
1. การปรับปรุงกระบวนการเติบโตแบบสองขั้นตอน
ปัจจุบัน การผลิตเชิงพาณิชย์ใช้กระบวนการเจริญเติบโตแบบสองขั้นตอน แต่จำนวนวัสดุรองรับที่สามารถบรรจุได้ในครั้งเดียวมีจำกัด แม้ว่าระบบ 6 เวเฟอร์จะได้รับการพัฒนาแล้ว แต่เครื่องจักรที่สามารถรองรับเวเฟอร์ได้ประมาณ 20 แผ่นยังอยู่ระหว่างการพัฒนา การเพิ่มจำนวนเวเฟอร์มักนำไปสู่ความสม่ำเสมอที่ไม่เพียงพอในชั้นเอพิแทกเซียล การพัฒนาในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่สองทิศทาง:
- การพัฒนาเทคโนโลยีที่ช่วยให้สามารถโหลดสารตั้งต้นได้มากขึ้นในห้องปฏิกิริยาเดียว ทำให้เหมาะกับการผลิตในปริมาณมากและลดต้นทุนได้
- พัฒนาอุปกรณ์เวเฟอร์เดี่ยวที่ทำซ้ำได้และอัตโนมัติสูง
2. เทคโนโลยีไฮไดรด์ไอเฟสเอพิแทกซี (HVPE)
เทคโนโลยีนี้ช่วยให้ฟิล์มหนาที่มีความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวต่ำสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถใช้เป็นวัสดุรองรับสำหรับการเติบโตแบบโฮโมอิพิแทกเซียลโดยใช้วิธีการอื่นๆ นอกจากนี้ ฟิล์ม GaN ที่แยกออกจากวัสดุรองรับอาจกลายเป็นทางเลือกแทนชิปผลึกเดี่ยว GaN จำนวนมาก อย่างไรก็ตาม HVPE มีข้อเสีย เช่น การควบคุมความหนาที่แม่นยำได้ยาก และก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการปรับปรุงความบริสุทธิ์ของวัสดุ GaN ต่อไป
HVPE-GaN โดปด้วยไซ
(ก) โครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์ HVPE-GaN ที่โด๊ปด้วยซิลิกอน (ข) ภาพของ HVPE-GaN ที่โด๊ปด้วยซิลิกอนที่มีความหนา 800 μm
(c) การกระจายตัวของความเข้มข้นของตัวพาอิสระตามเส้นผ่านศูนย์กลางของ HVPE-GaN ที่โด๊ปด้วย Si
3. เทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบ Epitaxial หรือ Lateral Epitaxial Growth
เทคนิคนี้สามารถลดความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวของอนุภาคและปรับปรุงคุณภาพผลึกของชั้นอิพิแทกเซียล GaN ได้มากขึ้น กระบวนการนี้ประกอบด้วย:
- การสะสมชั้น GaN บนพื้นผิวที่เหมาะสม (แซฟไฟร์หรือ SiC)
- การวางชั้นมาส์ก SiO₂ โพลีคริสตัลไลน์ไว้ด้านบน
- การใช้เทคนิคการพิมพ์หินด้วยแสงและการกัดกรดเพื่อสร้างหน้าต่าง GaN และแถบหน้ากาก SiO₂ในระหว่างการเจริญเติบโตครั้งต่อๆ มา GaN จะเติบโตในแนวตั้งที่หน้าต่างก่อน จากนั้นจึงเติบโตด้านข้างเหนือแถบ SiO₂
เวเฟอร์ GaN-on-Sapphire ของ XKH
4. เทคโนโลยีเพนเดโอ-เอพิทาซี
วิธีนี้ช่วยลดข้อบกพร่องของโครงตาข่ายที่เกิดจากโครงตาข่ายและความไม่ตรงกันทางความร้อนระหว่างซับสเตรตและชั้นเอพิแทกเซียลได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งช่วยยกระดับคุณภาพผลึก GaN ให้ดียิ่งขึ้น ขั้นตอนต่างๆ ประกอบด้วย:
- การปลูกชั้นเอพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวที่เหมาะสม (6H-SiC หรือ Si) โดยใช้กระบวนการสองขั้นตอน
- ดำเนินการกัดแบบเลือกชั้นเอพิแทกเซียลลงไปจนถึงพื้นผิวพื้นฐาน เพื่อสร้างโครงสร้างเสา (GaN/บัฟเฟอร์/พื้นผิว) และร่องสลับกัน
- การเติบโตของชั้น GaN เพิ่มเติม ซึ่งขยายออกไปทางด้านข้างจากผนังด้านข้างของเสา GaN เดิม ที่แขวนอยู่เหนือร่องลึกเนื่องจากไม่มีการใช้หน้ากาก จึงหลีกเลี่ยงการสัมผัสระหว่าง GaN และวัสดุหน้ากาก
เวเฟอร์ GaN-on-Silicon ของ XKH
5. การพัฒนาวัสดุเอพิแทกเซียล LED UV ความยาวคลื่นสั้น
นี่เป็นการวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับ LED สีขาวที่ใช้สารเรืองแสงที่กระตุ้นด้วยรังสี UV สารเรืองแสงประสิทธิภาพสูงหลายชนิดสามารถถูกกระตุ้นด้วยแสง UV ได้ ซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงกว่าระบบ YAG:Ce ในปัจจุบัน จึงช่วยยกระดับประสิทธิภาพของ LED สีขาว
6. เทคโนโลยีชิปมัลติควอนตัมเวลล์ (MQW)
ในโครงสร้าง MQW สารเจือปนต่างๆ จะถูกเจือปนในระหว่างการเจริญเติบโตของชั้นเปล่งแสงเพื่อสร้างควอนตัมเวลล์ที่มีความหลากหลาย การรวมตัวใหม่ของโฟตอนที่เปล่งออกมาจากเวลล์เหล่านี้จะก่อให้เกิดแสงสีขาวโดยตรง วิธีการนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่องสว่าง ลดต้นทุน และลดความซับซ้อนของการบรรจุและการควบคุมวงจร แม้ว่าจะมีความท้าทายทางเทคนิคที่มากขึ้นก็ตาม
7. การพัฒนาเทคโนโลยี “รีไซเคิลโฟตอน”
ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2542 บริษัทซูมิโตโมของญี่ปุ่นได้พัฒนา LED สีขาวโดยใช้วัสดุ ZnSe เทคโนโลยีนี้เกี่ยวข้องกับการปลูกฟิล์มบาง CdZnSe บนแผ่นรองรับผลึกเดี่ยว ZnSe เมื่อถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้า ฟิล์มจะเปล่งแสงสีน้ำเงิน ซึ่งทำปฏิกิริยากับแผ่นรองรับ ZnSe ทำให้เกิดแสงสีเหลืองเสริม ส่งผลให้เกิดแสงสีขาว ในทำนองเดียวกัน ศูนย์วิจัยโฟโตนิกส์ของมหาวิทยาลัยบอสตันได้ซ้อนสารประกอบสารกึ่งตัวนำ AlInGaP บน GaN-LED สีน้ำเงินเพื่อสร้างแสงสีขาว
8. การไหลของกระบวนการเวเฟอร์เอพิแทกเซียล LED
① การผลิตเวเฟอร์เอพิแทกเซียล:
วัสดุพิมพ์ → การออกแบบโครงสร้าง → การเติบโตของชั้นบัฟเฟอร์ → การเติบโตของชั้น GaN ชนิด N → การเติบโตของชั้นเปล่งแสง MQW → การเติบโตของชั้น GaN ชนิด P → การอบอ่อน → การทดสอบ (การเรืองแสงด้วยแสง, รังสีเอกซ์) → เวเฟอร์เอพิแทกเซียล
② การผลิตชิป:
เวเฟอร์เอพิแทกเซียล → การออกแบบและการผลิตมาสก์ → การพิมพ์หินด้วยแสง → การกัดด้วยไอออน → อิเล็กโทรดชนิด N (การสะสม การอบอ่อน การกัด) → อิเล็กโทรดชนิด P (การสะสม การอบอ่อน การกัด) → การตัดเป็นลูกเต๋า → การตรวจสอบและการจัดระดับชิป
เวเฟอร์ GaN-on-SiC ของ ZMSH
เวลาโพสต์: 25 ก.ค. 2568