Epitaksjalne warstwy LED stanowią rdzeń urządzeń LED, bezpośrednio determinując kluczowe właściwości optoelektroniczne, takie jak długość fali emisji, jasność i napięcie przewodzenia. Spośród wszystkich technik produkcyjnych, osadzanie z fazy gazowej związków metaloorganicznych (MOCVD) odgrywa dominującą rolę we wzroście epitaksjalnym półprzewodników związkowych III-V i II-VI. Poniżej przedstawiono kilka postępów technologicznych i trendów kształtujących przyszłość epitaksji LED.

1. Optymalizacja dwuetapowej techniki wzrostu

Standard komercyjny obejmuje dwuetapowy proces wzrostu epitaksjalnego. Jednak obecne reaktory MOCVD mogą pomieścić tylko ograniczoną liczbę podłoży na cykl - zwykle 6 płytek - podczas gdy konfiguracje 20-płytkowe są wciąż w fazie optymalizacji. To ograniczenie wpływa na jednorodność na płytkach. Przyszłe kierunki obejmują:

• Skalowanie: Opracowywanie reaktorów, które obsługują większe obciążenia płytkami w celu obniżenia kosztu jednostkowego.

• Automatyzacja: Nacisk na narzędzia jednopłytkowe o wysokiej powtarzalności i automatyzacji procesów.

2. Epitaksja z fazy gazowej hydrydowej (HVPE)

HVPE umożliwia szybki wzrost grubych warstw GaN o niskiej gęstości dyslokacji śrubowych. Warstwy te mogą służyć jako podłoża do wzrostu homoepitaksjalnego innymi metodami. Dodatkowo, wolnostojące warstwy GaN oddzielone od oryginalnych podłoży mogą służyć jako alternatywa dla GaN objętościowego. Niemniej jednak HVPE cierpi z powodu słabej kontroli grubości i korozyjnych produktów ubocznych, które ograniczają czystość materiału.

3. Selektywny lub boczny wzrost epitaksjalny

Metoda ta znacznie poprawia jakość kryształów poprzez zmniejszenie gęstości defektów w warstwach GaN. Warstwa GaN jest najpierw osadzana na podłożu (zazwyczaj szafirze lub SiC), a następnie nakładana jest polikrystaliczna warstwa maskująca SiO₂. Fotolitografia i wytrawianie odsłaniają okna w warstwie GaN. GaN następnie rośnie pionowo w tych oknach, zanim rozprzestrzeni się bocznie na maskę.

4. Pendeo-epitaksja dla redukcji defektów

Pendeo-epitaksja oferuje sposób na złagodzenie defektów indukowanych przez niedopasowanie sieci i termiczne. GaN jest hodowany na podłożach takich jak 6H-SiC lub Si przy użyciu dwuetapowego procesu. Wytrawianie wzorzyste tworzy naprzemienne struktury filarów i rowów GaN, na których boczny wzrost tworzy zawieszone warstwy GaN. Metoda ta eliminuje potrzebę stosowania warstwy maskującej i unika zanieczyszczenia materiału.

5. Rozwój materiałów UV LED

Trwają wysiłki mające na celu opracowanie materiałów UV LED o krótkiej długości fali, stanowiących solidną podstawę dla białych diod LED wzbudzanych UV przy użyciu trójchromatycznych luminoforów. Te luminofory, bardziej wydajne niż konwencjonalne systemy oparte na YAG:Ce, mają potencjał znacznej poprawy skuteczności świetlnej.

6. Technologia układów wielokwantowych (MQW)

Struktury MQW wprowadzają warstwy o zmiennych domieszkach i składach podczas wzrostu, tworząc studnie kwantowe, które emitują fotony o różnych długościach fal. Technika ta umożliwia bezpośrednią emisję światła białego i zmniejsza złożoność w projektowaniu obwodów i obudów, chociaż stwarza znaczne wyzwania produkcyjne.

7. Technologia recyklingu fotonów

Sumitomo Electric opracowało białą diodę LED wykorzystującą ZnSe i CdZnSe w 1999 roku. Niebieskie światło emitowane z warstwy CdZnSe wzbudza podłoże ZnSe, wytwarzając komplementarne światło żółte, co skutkuje emisją białą. Podobnie, Uniwersytet Bostoński uzyskał białe światło poprzez warstwowanie AlInGaP na niebieskich diodach LED na bazie GaN.

Przebieg procesu epitaksjalnych płytek LED

Wzrost epitaksjalny:
Podłoże → Projekt strukturalny → Warstwa buforowa → Warstwa GaN typu N → Warstwa emisyjna MQW → Warstwa GaN typu P → Wyżarzanie → Kontrola optyczna/rentgenowska → Ukończenie płytki

Fabrykacja układów:
Płytka → Projekt maski i litografia → Trawienie jonowe → Osadzanie/wyżarzanie elektrody N → Osadzanie/wyżarzanie elektrody P → Cięcie → Sortowanie i binning