I wafer epitassiali LED costituiscono il nucleo dei dispositivi LED, determinando direttamente proprietà optoelettroniche chiave come la lunghezza d'onda di emissione, la luminosità e la tensione diretta. Tra tutte le tecniche di produzione, la deposizione chimica da vapore organometallico (MOCVD) svolge un ruolo dominante nella crescita epitassiale di semiconduttori composti III-V e II-VI. Di seguito sono riportati diversi progressi tecnologici e tendenze che stanno plasmando il futuro dell'epitassia LED.

1. Ottimizzazione della tecnica di crescita in due fasi

Lo standard commerciale prevede un processo di crescita epitassiale in due fasi. Tuttavia, gli attuali reattori MOCVD possono ospitare solo un numero limitato di substrati per ciclo, comunemente 6 wafer, mentre le configurazioni a 20 wafer sono ancora in fase di ottimizzazione. Questa limitazione influisce sull'uniformità tra i wafer. Le direzioni future includono:

• Ridimensionamento: Sviluppo di reattori che supportano carichi di wafer più elevati per ridurre il costo per unità.

• Automazione: Enfasi su strumenti a singolo wafer con elevata riproducibilità e automazione del processo.

2. Epitassia in fase vapore idruro (HVPE)

HVPE consente una rapida crescita di strati spessi di GaN con bassa densità di dislocazione del filo. Questi film possono fungere da substrati per la crescita omoepitassiale tramite altri metodi. Inoltre, film di GaN indipendenti separati dai substrati originali potrebbero fungere da alternative al GaN sfuso. Tuttavia, HVPE soffre di scarso controllo dello spessore e sottoprodotti corrosivi, che limitano la purezza del materiale.

3. Crescita epitassiale selettiva o laterale

Questo metodo migliora significativamente la qualità del cristallo riducendo la densità dei difetti negli strati di GaN. Uno strato di GaN viene prima depositato su un substrato (tipicamente zaffiro o SiC), seguito da uno strato di maschera di SiO₂ policristallino. La fotolitografia e l'incisione espongono finestre nello strato di GaN. Il GaN cresce quindi verticalmente in queste finestre prima di espandersi lateralmente attraverso la maschera.

4. Pendeo-epitassia per la riduzione dei difetti

La pendeo-epitassia offre un modo per mitigare i difetti indotti da disadattamento reticolare e termico. Il GaN viene coltivato su substrati come 6H-SiC o Si utilizzando un processo in due fasi. L'incisione modellata crea strutture a pilastro e trincea di GaN alternate, su cui la crescita laterale forma strati di GaN sospesi. Questo metodo elimina la necessità di uno strato di maschera ed evita la contaminazione del materiale.

5. Sviluppo di materiali LED UV

Sono in corso sforzi per sviluppare materiali LED UV a lunghezza d'onda corta, fornendo una solida base per i LED bianchi eccitati da UV utilizzando fosfori tricromatici. Questi fosfori, più efficienti dei sistemi convenzionali basati su YAG:Ce, hanno il potenziale per migliorare significativamente l'efficacia luminosa.

6. Tecnologia dei chip a pozzo quantico multiplo (MQW)

Le strutture MQW introducono strati con droganti e composizioni variabili durante la crescita, creando pozzi quantici che emettono fotoni di varie lunghezze d'onda. Questa tecnica consente l'emissione diretta di luce bianca e riduce la complessità nella progettazione di circuiti e pacchetti, sebbene presenti notevoli sfide di fabbricazione.

7. Tecnologia di riciclo dei fotoni

Sumitomo Electric ha sviluppato un LED bianco utilizzando ZnSe e CdZnSe nel 1999. La luce blu emessa dallo strato di CdZnSe eccita il substrato di ZnSe, producendo luce gialla complementare, con conseguente emissione bianca. Allo stesso modo, la Boston University ha ottenuto la luce bianca stratificando AlInGaP su LED blu basati su GaN.

Flusso di processo dei wafer epitassiali LED

Crescita epitassiale:
Substrato → Progettazione strutturale → Strato tampone → Strato GaN di tipo N → Strato di emissione MQW → Strato GaN di tipo P → Ricottura → Ispezione ottica/a raggi X → Completamento del wafer

Fabbricazione del chip:
Wafer → Progettazione della maschera e litografia → Incisione ionica → Deposizione/ricottura dell'elettrodo N → Deposizione/ricottura dell'elettrodo P → Taglio → Smistamento e binning