Principes techniques et procédés des plaquettes épitaxiales LED

Le principe de fonctionnement des LED montre clairement que le matériau de la plaquette épitaxiale est son composant principal. En effet, des paramètres optoélectroniques clés tels que la longueur d'onde, la luminosité et la tension directe sont largement déterminés par le matériau épitaxial. La technologie et les équipements de fabrication des plaquettes épitaxiales sont essentiels au processus de fabrication, le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (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 de la technologie des plaquettes épitaxiales de 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 wafers sont matures, les machines gérant une vingtaine de wafers sont encore en développement. L'augmentation du nombre de wafers entraîne souvent un manque d'uniformité des couches épitaxiales. Les développements futurs se concentreront sur deux axes :

• Développer des 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 à plaquette unique hautement automatisés et reproductibles.

2. Technologie d'épitaxie en phase vapeur à l'hydrure (HVPE)

Cette technologie permet la croissance rapide de films épais à faible densité de dislocations, qui peuvent servir de substrats pour la croissance homoépitaxiale par d'autres méthodes. De plus, les films de GaN séparés du substrat pourraient devenir des alternatives aux puces monocristallines de GaN massif. Cependant, le HVPE présente des inconvénients, tels que la difficulté de contrôler précisément l'épaisseur et la présence de gaz de réaction corrosifs qui entravent l'amélioration de la pureté du GaN.

HVPE-GaN dopé au silicium

(a) Structure d'un réacteur HVPE-GaN dopé au Si ; (b) Image d'un réacteur HVPE-GaN dopé au Si de 800 μm d'épaisseur ;

(c) Distribution de la concentration de porteurs libres le long du diamètre du HVPE-GaN dopé au Si

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 :

• Dépôt d'une couche de GaN sur un substrat adapté (saphir ou SiC).
• Dépôt d'une couche de masque SiO₂ polycristallin sur le dessus.
• Utilisation de la photolithographie et de la gravure pour créer des fenêtres GaN et des bandes de masque SiO₂.Au cours de la croissance ultérieure, le GaN croît d'abord verticalement dans les fenêtres, puis latéralement sur les bandes de SiO₂.

Plaquette GaN sur saphir de XKH

4. Technologie de pendéo-épitaxie

Cette méthode réduit considérablement les défauts de réseau causés par les discordances de réseau et thermiques entre le substrat et la couche épitaxiale, améliorant ainsi la qualité du cristal de GaN. Les étapes comprennent :

• Croissance d'une couche épitaxiale de GaN sur un substrat approprié (6H-SiC ou Si) en utilisant un processus en deux étapes.
• Réalisation d'une gravure sélective de la couche épitaxiale jusqu'au substrat, créant des structures alternées de piliers (GaN/tampon/substrat) et de tranchées.
• Croissance de couches de GaN supplémentaires, qui s'étendent latéralement à partir des parois latérales des piliers de GaN d'origine, suspendus au-dessus des tranchées.Comme aucun masque n’est utilisé, cela évite le contact entre le GaN et les matériaux du masque.

Plaquette GaN sur silicium de XKH

5. Développement de matériaux épitaxiaux pour LED UV à courte longueur d'onde

Cela pose des bases solides pour les LED blanches à base de phosphore excitées par UV. De nombreux phosphores à haut rendement peuvent être excités par la lumière UV, offrant ainsi une efficacité lumineuse supérieure à celle du système YAG:Ce actuel, améliorant ainsi les performances des LED blanches.

6. Technologie de puce à puits multi-quantiques (MQW)

Dans les structures MQW, différentes impuretés sont dopées lors de la croissance de la couche électroluminescente afin de créer des puits quantiques variés. 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 le contrôle des circuits, mais présente des défis techniques plus importants.

7. Développement de la technologie de « recyclage des photons »

En janvier 1999, l'entreprise japonaise Sumitomo a développé une LED blanche utilisant du ZnSe. Cette technologie consiste à faire croître une couche mince de CdZnSe sur un substrat monocristallin de ZnSe. Lorsqu'elle est électrifiée, la couche émet une lumière bleue qui, en interagissant avec le substrat de ZnSe, produit une lumière jaune complémentaire, donnant naissance à une lumière blanche. De même, le Centre de recherche photonique de l'Université de Boston a empilé un composé semi-conducteur AlInGaP sur une LED GaN bleue pour générer une lumière blanche.

8. Flux de processus de fabrication de plaquettes épitaxiales à LED

1 Fabrication de plaquettes épitaxiales :
Substrat → Conception structurelle → 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 → Test (photoluminescence, rayons X) → Plaquette épitaxiale

2 Fabrication de puces :
Plaquette épitaxiale → Conception et fabrication de masques → Photolithographie → Gravure ionique → Électrode de type N (dépôt, recuit, gravure) → Électrode de type P (dépôt, recuit, gravure) → Découpage → Inspection et classement des puces.

Plaquette GaN sur SiC de ZMSH