LED晶圓技術發展趨勢及LED晶圓製程

從LED工作原理可知,晶圓材料是LED的核心部分,事實上,LED的波長、亮度、正向電壓等主要光電參數基本上取決於晶圓材料。晶圓技術與設備是 晶圓製造技術的關鍵所在,金屬有機物化學氣相澱積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,簡稱MOCVD)技術生長III-V族,II-VI族化合物及合金的薄層單晶的主要方法。下面是關於LED未來晶圓技術的一些發展趨勢。

1.改進兩步法生長製程
目前商業化生產採用的是兩步生長製程,但一次可裝入襯底數有限,6片機比較成熟,20片左右的機台還在成熟中,片數較多後導致晶圓均勻性不夠。發展趨勢是 兩個方向:一是開發可一次在反應室中裝入更多個襯底晶圓生長,更加適合於規模化生產的技術,以降低成本;另外一個方向是高度自動化的可重複性的單片設備。

2.氫化物汽相晶圓(HVPE)技術
採用這種技術可以快速生長出低位元錯密度的厚膜,可以用做採用其他方法進行同質晶圓生長的襯底。並且和襯底分離的GaN薄膜有可能成為體單晶GaN晶片的替代品。HVPE的缺點是很難精確控制膜厚,反應氣體對設備具有腐蝕性,影響GaN材料純度的進一步提高。

3.選擇性晶圓生長或側向晶圓生長技術
採用這種技術可以進一步減少位元錯密度,改善GaN晶圓層的晶體品質。首先在合適的襯底上(藍寶石或碳化矽)沉積一層GaN,再在其上沉積一層多晶態的 SiO掩膜層,然後利用光刻和刻蝕技術,形成GaN視窗和掩膜層條。在隨後的生長過程中,晶圓GaN首先在GaN視窗上生長,然後再橫向生長於SiO條 上。

4.懸空晶圓技術(Pendeo-epitaxy)
採用這種方法可以大大減少由於襯底和晶圓層之間晶格失配和熱失配引發的晶圓層中大量的晶格缺陷,從而進一步提高GaN晶圓層的晶體品質。首先在合適的襯底 上( 6H-SiC或Si)採用兩步製程生長GaN晶圓層。然後對晶圓膜進行選區刻蝕,一直深入到襯底。這樣就形成了GaN/緩衝層/襯底的柱狀結構和溝槽交替 的形狀。然後再進行GaN晶圓層的生長,此時生長的GaN晶圓層懸空於溝槽上方,是在原GaN晶圓層側壁的橫向晶圓生長。採用這種方法,不需要掩膜,因此 避免了GaN和醃膜材料之間的接觸。

5.研發波長短的UV LED晶圓材料
它為發展UV三基色螢光粉白光LED奠定扎實基礎。可供UV光激發的高效螢光粉很多,其發光效率比目前使用的YAG:Ce體系高許多,這樣容易使白光LED上到新臺階。

6.開發多量子阱型晶片技術
多量子阱型是在晶片發光層的生長過程中,摻雜不同的雜質以製造結構不同的量子阱,通過不同量子阱發出的多種光子複合直接發出白光。該方法提高發光效率,可降低成本,降低包裝及電路的控制難度;但技術難度相對較大。

7.開發「光子再迴圈」技術
日本Sumitomo在1999年1月研製出ZnSe材料的白光LED。其技術是先在ZnSe單晶基底上生長一層CdZnSe薄膜,通電後該薄膜發出的藍 光與基板ZnSe作用發出互補的黃光,從而形成白光光源。美國Boston大學光子研究中心用同樣的方法在藍光GaN-LED上疊放一層AlInGaP半 導體複合物,也生成了白光。

LED晶圓製程
襯底>>結構設計>>緩衝層生長>>N型GaN層生長>>多量子阱發光層生長>>P型GaN層生長>>退火>>檢測(光螢光、X射線)>>晶圓片
晶圓>>設計、加工掩模版>>光刻>>離子刻蝕>>N型電極(鍍膜、退火、刻蝕)>>P型電極(鍍膜、退火、刻蝕)>>劃片>>晶粒分檢、分級

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