Prinsip dan Proses Teknis Wafer Epitaksial LED

Dari prinsip kerja LED, jelas bahwa material wafer epitaksial merupakan komponen inti dari sebuah LED. Bahkan, parameter optoelektronik utama seperti panjang gelombang, kecerahan, dan tegangan maju sebagian besar ditentukan oleh material epitaksial. Teknologi dan peralatan wafer epitaksial sangat penting untuk proses manufaktur, dengan Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) sebagai metode utama untuk menumbuhkan lapisan kristal tunggal tipis dari senyawa III-V, II-VI, dan paduannya. Berikut adalah beberapa tren masa depan dalam teknologi wafer epitaksial LED.

1. Peningkatan Proses Pertumbuhan Dua Tahap

Saat ini, produksi komersial menggunakan proses pertumbuhan dua tahap, tetapi jumlah substrat yang dapat dimuat sekaligus terbatas. Meskipun sistem 6-wafer sudah matang, mesin yang menangani sekitar 20 wafer masih dalam pengembangan. Meningkatkan jumlah wafer seringkali menyebabkan kurangnya keseragaman pada lapisan epitaksial. Pengembangan di masa mendatang akan berfokus pada dua arah:

• Mengembangkan teknologi yang memungkinkan pemuatan lebih banyak substrat dalam satu ruang reaksi, sehingga lebih cocok untuk produksi skala besar dan pengurangan biaya.
• Mengembangkan peralatan pemrosesan wafer tunggal yang sangat otomatis dan dapat diulang.

2. Teknologi Epitaksi Fase Uap Hidrida (HVPE)

Teknologi ini memungkinkan pertumbuhan cepat film tebal dengan kepadatan dislokasi rendah, yang dapat berfungsi sebagai substrat untuk pertumbuhan homoepitaksial menggunakan metode lain. Selain itu, film GaN yang terpisah dari substrat dapat menjadi alternatif untuk chip kristal tunggal GaN massal. Namun, HVPE memiliki kekurangan, seperti kesulitan dalam pengendalian ketebalan yang tepat dan gas reaksi korosif yang menghambat peningkatan lebih lanjut dalam kemurnian material GaN.

GaN HVPE yang didoping Si

(a) Struktur reaktor HVPE-GaN yang didoping Si; (b) Gambar HVPE-GaN yang didoping Si dengan ketebalan 800 μm;

(c) Distribusi konsentrasi pembawa muatan bebas di sepanjang diameter HVPE-GaN yang didoping Si

3. Teknologi Pertumbuhan Epitaksial Selektif atau Pertumbuhan Epitaksial Lateral

Teknik ini dapat lebih mengurangi kepadatan dislokasi dan meningkatkan kualitas kristal lapisan epitaksial GaN. Prosesnya meliputi:

• Mendepositkan lapisan GaN pada substrat yang sesuai (safir atau SiC).
• Mendepositkan lapisan masker SiO₂ polikristalin di atasnya.
• Menggunakan fotolitografi dan etsa untuk membuat jendela GaN dan strip masker SiO₂.Selama pertumbuhan selanjutnya, GaN pertama-tama tumbuh secara vertikal di dalam jendela dan kemudian secara lateral di atas strip SiO₂.

Wafer GaN-on-Sapphire dari XKH

4. Teknologi Pendeo-Epitaksi

Metode ini secara signifikan mengurangi cacat kisi yang disebabkan oleh ketidaksesuaian kisi dan termal antara substrat dan lapisan epitaksial, sehingga meningkatkan kualitas kristal GaN lebih lanjut. Langkah-langkahnya meliputi:

• Menumbuhkan lapisan epitaksial GaN pada substrat yang sesuai (6H-SiC atau Si) menggunakan proses dua langkah.
• Melakukan etsa selektif pada lapisan epitaksial hingga ke substrat, menciptakan struktur pilar (GaN/buffer/substrat) dan parit yang berselang-seling.
• Menumbuhkan lapisan GaN tambahan, yang memanjang secara lateral dari dinding samping pilar GaN asli, yang digantung di atas parit.Karena tidak menggunakan masker, hal ini menghindari kontak antara GaN dan bahan masker.

Wafer GaN-on-Silicon dari XKH

5. Pengembangan Material Epitaksial LED UV Gelombang Pendek

Hal ini meletakkan dasar yang kuat untuk LED putih berbasis fosfor yang dieksitasi UV. Banyak fosfor efisiensi tinggi dapat dieksitasi oleh cahaya UV, menawarkan efisiensi luminous yang lebih tinggi daripada sistem YAG:Ce saat ini, sehingga meningkatkan kinerja LED putih.

6. Teknologi Chip Multi-Quantum Well (MQW)

Dalam struktur MQW, berbagai pengotor ditambahkan selama pertumbuhan lapisan pemancar cahaya untuk menciptakan sumur kuantum yang bervariasi. Rekombinasi foton yang dipancarkan dari sumur-sumur ini menghasilkan cahaya putih secara langsung. Metode ini meningkatkan efisiensi luminous, mengurangi biaya, dan menyederhanakan pengemasan dan kontrol sirkuit, meskipun menghadirkan tantangan teknis yang lebih besar.

7. Pengembangan Teknologi “Daur Ulang Foton”

Pada Januari 1999, Sumitomo Jepang mengembangkan LED putih menggunakan material ZnSe. Teknologi ini melibatkan penumbuhan lapisan tipis CdZnSe pada substrat kristal tunggal ZnSe. Ketika dialiri listrik, lapisan tersebut memancarkan cahaya biru, yang berinteraksi dengan substrat ZnSe untuk menghasilkan cahaya kuning komplementer, sehingga menghasilkan cahaya putih. Demikian pula, Pusat Penelitian Fotonik Universitas Boston menumpuk senyawa semikonduktor AlInGaP pada LED GaN biru untuk menghasilkan cahaya putih.

8. Alur Proses Wafer Epitaksial LED

① Fabrikasi Wafer Epitaksial:
Substrat → Desain struktural → Pertumbuhan lapisan penyangga → Pertumbuhan lapisan GaN tipe-N → Pertumbuhan lapisan pemancar cahaya MQW → Pertumbuhan lapisan GaN tipe-P → Annealing → Pengujian (fotoluminisensi, sinar-X) → Wafer epitaksial

② Fabrikasi Chip:
Wafer epitaksial → Desain dan fabrikasi masker → Fotolitografi → Etching ion → Elektroda tipe N (deposisi, annealing, etching) → Elektroda tipe P (deposisi, annealing, etching) → Pemotongan → Inspeksi dan penilaian chip.

Wafer GaN-on-SiC dari ZMSH