מעיקרון הפעולה של נורות LED, ניכר כי חומר הוופלים האפיטקסיאליים הוא המרכיב המרכזי של נורת LED. למעשה, פרמטרים אופטואלקטרוניים מרכזיים כגון אורך גל, בהירות ומתח קדמי נקבעים במידה רבה על ידי החומר האפיטקסיאלי. טכנולוגיית וציוד הוופלים האפיטקסיאליים הם קריטיים לתהליך הייצור, כאשר שקיעת אדים כימית אורגנית-מתכתית (MOCVD) היא השיטה העיקרית לגידול שכבות דקות של גביש יחיד של תרכובות III-V, II-VI וסגסוגותיהן. להלן מספר מגמות עתידיות בטכנולוגיית הוופלים האפיטקסיאליים של נורות LED.
1. שיפור תהליך הצמיחה הדו-שלבי
כיום, ייצור מסחרי משתמש בתהליך גידול דו-שלבי, אך מספר הסובסטרטים שניתן לטעון בו זמנית מוגבל. בעוד שמערכות של 6 פרוסות דמה הן בשלות, מכונות המטפלות בכ-20 פרוסות דמה עדיין נמצאות בפיתוח. הגדלת מספר הפרוסות דמה מובילה לעיתים קרובות לאחידות לא מספקת בשכבות האפיטקסיאליות. פיתוחים עתידיים יתמקדו בשני כיוונים:
- פיתוח טכנולוגיות המאפשרות טעינת יותר מצעים בתא תגובה יחיד, מה שהופך אותם למתאימים יותר לייצור בקנה מידה גדול ולהפחתת עלויות.
- קידום ציוד ופלה בודדת אוטומטי ביותר, הניתן לחזרה.
2. טכנולוגיית אפיטקסיה של פאזת אדים הידרידית (HVPE)
טכנולוגיה זו מאפשרת צמיחה מהירה של שכבות עבות בעלות צפיפות פריקה נמוכה, שיכולות לשמש כמצעים לצמיחה הומואפיטקסיאלית באמצעות שיטות אחרות. בנוסף, שכבות GaN המופרדות מהמצע עשויות להפוך לחלופות לשבבי GaN חד-גבישיים בכמויות גדולות. עם זאת, ל-HVPE יש חסרונות, כגון קושי בבקרת עובי מדויקת וגזי תגובה קורוזיביים המעכבים שיפור נוסף בטוהר חומר GaN.
HVPE-GaN מסומם בסיליקון
(א) מבנה של כור HVPE-GaN מסומם בסיליקון; (ב) תמונה של HVPE-GaN מסומם בסיליקון בעובי 800 מיקרומטר;
(ג) התפלגות ריכוז הנשא החופשי לאורך קוטר HVPE-GaN מסומם בסיליקון
3. צמיחה אפיטקסיאלית סלקטיבית או טכנולוגיית צמיחה אפיטקסיאלית לרוחב
טכניקה זו יכולה להפחית עוד יותר את צפיפות הנקע ולשפר את איכות הגביש של שכבות האפיטקסיאליות של GaN. התהליך כולל:
- הנחת שכבת GaN על מצע מתאים (ספיר או SiC).
- שיקוע שכבת מסכה של SiO₂ פוליקריסטלינית מעל.
- שימוש בפוטוליתוגרפיה ותחריט ליצירת חלונות GaN ורצועות מסיכת SiO₂.במהלך הגידול שלאחר מכן, GaN גדל תחילה אנכית בחלונות ולאחר מכן לרוחב מעל רצועות ה-SiO₂.
פרוסת GaN על ספיר של XKH
4. טכנולוגיית פנדאו-אפיטקסיה
שיטה זו מפחיתה משמעותית פגמי סריג הנגרמים עקב אי-התאמה תרמית בין המצע לשכבה האפיטקסיאלית, ובכך משפרת עוד יותר את איכות גביש ה-GaN. השלבים כוללים:
- גידול שכבה אפיטקסיאלית של GaN על מצע מתאים (6H-SiC או Si) באמצעות תהליך דו-שלבי.
- ביצוע איכול סלקטיבי של השכבה האפיטקסיאלית עד למצע, תוך יצירת מבני עמוד (GaN/buffer/מצע) ותעלה מתחלפים.
- גידול שכבות GaN נוספות, המשתרעות לרוחב מדפנות עמודי ה-GaN המקוריים, התלויות מעל התעלות.מכיוון שלא נעשה שימוש במסכה, הדבר מונע מגע בין GaN לחומרי המסכה.
פרוסת GaN על סיליקון של XKH
5. פיתוח חומרים אפיטקסיאליים לקרינת LED UV קצרת גל
זה מניח בסיס איתן לנורות LED לבנות מבוססות זרחן המעוררות באור UV. זרחנים רבים בעלי יעילות גבוהה ניתנים לעוררות על ידי אור UV, ומציעים יעילות אור גבוהה יותר בהשוואה למערכת YAG:Ce הנוכחית, ובכך משפרים את ביצועי ה-LED הלבן.
6. טכנולוגיית שבבים רב-קוונטיים (MQW)
במבני MQW, זיהומים שונים מסוממים במהלך גדילת השכבה פולטת האור כדי ליצור בארות קוונטיות שונות. הרקומבינציה של פוטונים הנפלטים מבארות אלו מייצרת אור לבן ישירות. שיטה זו משפרת את יעילות האור, מפחיתה עלויות ומפשטת את האריזות ובקרת המעגלים, אם כי היא מציבה אתגרים טכניים גדולים יותר.
7. פיתוח טכנולוגיית "מיחזור פוטונים"
בינואר 1999, חברת Sumitomo היפנית פיתחה נורת LED לבנה המשתמשת בחומר ZnSe. הטכנולוגיה כוללת גידול שכבה דקה של CdZnSe על גבי מצע גבישי יחיד של ZnSe. כאשר הסרט מחושמל, הוא פולט אור כחול, אשר מקיים אינטראקציה עם מצע ה-ZnSe כדי לייצר אור צהוב משלים, וכתוצאה מכך נוצר אור לבן. באופן דומה, מרכז המחקר לפוטוניקה של אוניברסיטת בוסטון ערם תרכובת מוליך למחצה AlInGaP על גבי נורת LED GaN כחולה כדי לייצר אור לבן.
8. זרימת תהליך פרוסת ופלים אפיטקסיאלית LED
① ייצור פרוסות אפיטקסיאליות:
מצע ← תכנון מבני ← צמיחת שכבת חיץ ← צמיחת שכבת GaN מסוג N ← צמיחת שכבת פולטת אור MQW ← צמיחת שכבת GaN מסוג P ← חישול ← בדיקה (פוטולומינסנציה, רנטגן) ← פרוסת אפיטקסיאלית
② ייצור שבבים:
פרוסה אפיטקסיאלית → תכנון וייצור מסכה → פוטוליוגרפיה → איכול יונים → אלקטרודה מסוג N (שקיעה, חישול, איכול) → אלקטרודה מסוג P (שקיעה, חישול, איכול) → חיתוך → בדיקת שבבים ודירוג.
פרוסת GaN-on-SiC של ZMSH
זמן פרסום: 25 ביולי 2025