Le principe de fonctionnement des LED révèle que le matériau de la couche épitaxiale est un élément essentiel. En effet, des paramètres optoélectroniques clés tels que la longueur d'onde, la luminosité et la tension directe sont largement déterminés par ce matériau. La technologie et les équipements de fabrication des couches épitaxiales sont cruciaux pour le processus de production, le dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) étant la principale méthode de croissance de fines couches monocristallines de composés III-V, II-VI et de leurs alliages. Voici quelques tendances futures concernant la technologie des couches épitaxiales pour LED.
1. Amélioration du processus de croissance en deux étapes
Actuellement, la production commerciale utilise un procédé de croissance en deux étapes, mais le nombre de substrats pouvant être chargés simultanément est limité. Si les systèmes à 6 plaquettes sont bien établis, les machines traitant une vingtaine de plaquettes sont encore en développement. L'augmentation du nombre de plaquettes entraîne souvent une uniformité insuffisante des couches épitaxiales. Les développements futurs s'orienteront vers deux axes :
- Développement de technologies permettant de charger davantage de substrats dans une seule chambre de réaction, les rendant ainsi plus adaptées à la production à grande échelle et à la réduction des coûts.
- Développement d'équipements monoplaquettes hautement automatisés et reproductibles.
2. Technologie d'épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE)
Cette technologie permet la croissance rapide de couches épaisses à faible densité de dislocations, qui peuvent servir de substrats pour la croissance homoépitaxiale par d'autres méthodes. De plus, les couches de GaN séparées du substrat pourraient constituer une alternative aux puces monocristallines de GaN massif. Cependant, l'épitaxie en phase vapeur à haute tension (HVPE) présente des inconvénients, tels que la difficulté à contrôler précisément l'épaisseur et la présence de gaz de réaction corrosifs qui freinent l'amélioration de la pureté du GaN.
GaN dopé au silicium HVPE
(a) Structure du réacteur HVPE-GaN dopé au Si ; (b) Image d'un HVPE-GaN dopé au Si de 800 μm d'épaisseur ;
(c) Distribution de la concentration de porteurs libres le long du diamètre du GaN dopé au Si par HVPE
3. Technologie de croissance épitaxiale sélective ou de croissance épitaxiale latérale
Cette technique permet de réduire davantage la densité de dislocations et d'améliorer la qualité cristalline des couches épitaxiales de GaN. Le procédé comprend les étapes suivantes :
- Dépôt d'une couche de GaN sur un substrat approprié (saphir ou SiC).
- Dépôt d'une couche de masque de SiO₂ polycristallin par-dessus.
- Utilisation de la photolithographie et de la gravure pour créer des fenêtres en GaN et des bandes de masque en SiO₂.Lors de la croissance ultérieure, le GaN se développe d'abord verticalement dans les fenêtres, puis latéralement sur les bandes de SiO₂.
Plaquette de GaN sur saphir de XKH
4. Technologie de pendéo-épitaxie
Cette méthode réduit considérablement les défauts de réseau causés par le désaccord de réseau et thermique entre le substrat et la couche épitaxiale, améliorant ainsi la qualité cristalline du GaN. Les étapes sont les suivantes :
- Croissance d'une couche épitaxiale de GaN sur un substrat approprié (6H-SiC ou Si) en utilisant un processus en deux étapes.
- Réaliser une gravure sélective de la couche épitaxiale jusqu'au substrat, créant des structures alternées de piliers (GaN/tampon/substrat) et de tranchées.
- Des couches supplémentaires de GaN, qui s'étendent latéralement à partir des parois latérales des piliers de GaN d'origine, sont suspendues au-dessus des tranchées.L'absence de masque évite tout contact entre le GaN et les matériaux du masque.
Plaquette de GaN sur silicium de XKH
5. Développement de matériaux épitaxiaux pour LED UV à courte longueur d'onde
Cela jette les bases d'une technologie LED blanche à phosphore excitée par UV. De nombreux phosphores à haut rendement peuvent être excités par la lumière UV, offrant ainsi une efficacité lumineuse supérieure au système YAG:Ce actuel et améliorant de ce fait les performances des LED blanches.
6. Technologie des puces à puits quantiques multiples (MQW)
Dans les structures MQW, différentes impuretés sont introduites lors de la croissance de la couche émettrice de lumière afin de créer des puits quantiques de tailles variables. La recombinaison des photons émis par ces puits produit directement de la lumière blanche. Cette méthode améliore l'efficacité lumineuse, réduit les coûts et simplifie le conditionnement et la commande des circuits, bien qu'elle présente des défis techniques plus importants.
7. Développement de la technologie de « recyclage des photons »
En janvier 1999, la société japonaise Sumitomo a mis au point une LED blanche utilisant du ZnSe. Cette technologie repose sur la croissance d'une fine couche de CdZnSe sur un substrat monocristallin de ZnSe. Sous l'effet de la tension électrique, la couche émet une lumière bleue qui, en interagissant avec le substrat de ZnSe, produit une lumière jaune complémentaire, générant ainsi de la lumière blanche. De même, le Centre de recherche en photonique de l'Université de Boston a superposé un composé semi-conducteur AlInGaP sur une LED bleue à base de GaN pour produire de la lumière blanche.
8. Processus de fabrication de plaquettes épitaxiales LED
① Fabrication de plaquettes épitaxiales :
Substrat → Conception structurale → Croissance de la couche tampon → Croissance de la couche GaN de type N → Croissance de la couche électroluminescente MQW → Croissance de la couche GaN de type P → Recuit → Tests (photoluminescence, rayons X) → Plaquette épitaxiale
② Fabrication de puces :
Plaquette épitaxiale → Conception et fabrication du masque → Photolithographie → Gravure ionique → Électrode de type N (dépôt, recuit, gravure) → Électrode de type P (dépôt, recuit, gravure) → Découpe → Inspection et classement des puces.
Plaquette GaN sur SiC de ZMSH
Date de publication : 25 juillet 2025