Prinsip Teknis dan Proses Wafer Epitaksial LED

Dari prinsip kerja LED, jelas bahwa material wafer epitaksial merupakan komponen inti LED. Faktanya, parameter optoelektronik utama seperti panjang gelombang, kecerahan, dan tegangan maju sebagian besar ditentukan oleh material epitaksial. Teknologi dan peralatan wafer epitaksial sangat penting dalam proses manufaktur, dengan Deposisi Uap Kimia Organik Logam (MOCVD) menjadi metode utama untuk menumbuhkan lapisan kristal tunggal tipis senyawa III-V, II-VI, dan paduannya. Berikut adalah beberapa tren masa depan dalam teknologi wafer epitaksial LED.

1. Peningkatan Proses Pertumbuhan Dua Langkah

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 tahap pengembangan. Peningkatan jumlah wafer seringkali menyebabkan kurangnya keseragaman pada lapisan epitaksial. Pengembangan selanjutnya akan berfokus pada dua arah:

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

2. Teknologi Epitaksi Fase Uap Hidrida (HVPE)

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

HVPE-GaN terdoping Si

(a) Struktur reaktor HVPE-GaN terdoping Si; (b) Gambar HVPE-GaN terdoping Si setebal 800 μm;

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

3. Teknologi Pertumbuhan Epitaksial Selektif atau Pertumbuhan Epitaksial Lateral

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

• Mendeposikan lapisan GaN pada substrat yang sesuai (safir atau SiC).
• Meletakkan lapisan masker SiO₂ polikristalin di atasnya.
• Menggunakan fotolitografi dan etsa untuk membuat jendela GaN dan strip masker SiO₂.Selama pertumbuhan berikutnya, GaN pertama-tama tumbuh secara vertikal di 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 semakin meningkatkan kualitas kristal GaN. Langkah-langkahnya meliputi:

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

Wafer GaN-on-Silicon XKH

5. Pengembangan Bahan Epitaksial UV LED Gelombang Pendek

Hal ini meletakkan fondasi yang kokoh untuk LED putih berbasis fosfor yang tereksitasi UV. Banyak fosfor efisiensi tinggi dapat tereksitasi oleh sinar UV, menawarkan efisiensi cahaya 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 didoping 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 cahaya, mengurangi biaya, dan menyederhanakan pengemasan serta kontrol sirkuit, meskipun menghadirkan tantangan teknis yang lebih besar.

7. Pengembangan Teknologi “Daur Ulang Foton”

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

8. Aliran Proses Wafer Epitaksial LED

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

② Pembuatan Chip:
Wafer epitaksial → Desain dan fabrikasi masker → Fotolitografi → Pengetsaan ion → Elektroda tipe-N (deposisi, anil, pengetsaan) → Elektroda tipe-P (deposisi, anil, pengetsaan) → Pemotongan → Inspeksi dan pemeringkatan chip.

Wafer GaN-on-SiC ZMSH