As bolachas epitaxiais de LED formam o núcleo dos dispositivos LED, determinando diretamente as principais propriedades optoeletrônicas, como comprimento de onda de emissão, brilho e tensão direta. Entre todas as técnicas de fabricação, a Deposição Química de Vapor Metal-Orgânico (MOCVD) desempenha um papel dominante no crescimento epitaxial de semicondutores compostos III-V e II-VI. Abaixo estão vários avanços tecnológicos e tendências que moldam o futuro da epitaxia de LED.

1. Otimização da Técnica de Crescimento em Duas Etapas

O padrão comercial envolve um processo de crescimento epitaxial em duas etapas. No entanto, os reatores MOCVD atuais podem acomodar apenas um número limitado de substratos por ciclo—comumente 6 bolachas—enquanto as configurações de 20 bolachas ainda estão em otimização. Essa limitação afeta a uniformidade em todas as bolachas. As direções futuras incluem:

• Escalonamento: Desenvolver reatores que suportem cargas de bolachas mais altas para reduzir o custo por unidade.

• Automação: Ênfase em ferramentas de bolacha única com alta reprodutibilidade e automação de processos.

2. Epitaxia de Fase de Vapor de Hidreto (HVPE)

HVPE permite o crescimento rápido de camadas espessas de GaN com baixa densidade de deslocamento de rosca. Esses filmes podem servir como substratos para crescimento homoepitaxial por outros métodos. Além disso, filmes de GaN independentes separados dos substratos originais podem servir como alternativas ao GaN a granel. No entanto, a HVPE sofre de controle de espessura deficiente e subprodutos corrosivos, o que limita a pureza do material.

3. Crescimento Epitaxial Seletivo ou Lateral

Este método melhora significativamente a qualidade do cristal, reduzindo a densidade de defeitos nas camadas de GaN. Uma camada de GaN é primeiro depositada em um substrato (tipicamente safira ou SiC), seguida por uma camada de máscara de SiO₂ policristalino. Fotolitografia e corrosão expõem janelas na camada de GaN. O GaN então cresce verticalmente nessas janelas antes de se expandir lateralmente pela máscara.

4. Pendeo-Epitaxia para Redução de Defeitos

A pendeo-epitaxia oferece uma maneira de mitigar defeitos induzidos por incompatibilidade de rede e térmica. O GaN é cultivado em substratos como 6H-SiC ou Si usando um processo de duas etapas. A corrosão padronizada cria estruturas alternadas de pilar e trincheira de GaN, sobre as quais o crescimento lateral forma camadas de GaN suspensas. Este método elimina a necessidade de uma camada de máscara e evita a contaminação do material.

5. Desenvolvimento de Materiais LED UV

Esforços estão em andamento para desenvolver materiais LED UV de curto comprimento de onda, fornecendo uma base sólida para LEDs brancos excitados por UV usando fósforos tricromáticos. Esses fósforos, mais eficientes do que os sistemas convencionais baseados em YAG:Ce, têm o potencial de melhorar significativamente a eficácia luminosa.

6. Tecnologia de Chip de Poço Quântico Múltiplo (MQW)

As estruturas MQW introduzem camadas com dopantes e composições variáveis durante o crescimento, criando poços quânticos que emitem fótons de vários comprimentos de onda. Essa técnica permite a emissão direta de luz branca e reduz a complexidade no projeto de circuitos e embalagens, embora apresente desafios consideráveis ​​de fabricação.

7. Tecnologia de Reciclagem de Fótons

A Sumitomo Electric desenvolveu um LED branco usando ZnSe e CdZnSe em 1999. A luz azul emitida pela camada de CdZnSe excita o substrato de ZnSe, produzindo luz amarela complementar, resultando em emissão branca. Da mesma forma, a Universidade de Boston alcançou luz branca sobrepondo AlInGaP sobre LEDs azuis baseados em GaN.

Fluxo do Processo de Bolachas Epitaxiais de LED

Crescimento Epitaxial:
Substrato → Projeto Estrutural → Camada Tampão → Camada GaN do tipo N → Camada de Emissão MQW → Camada GaN do tipo P → Recozimento → Inspeção Óptica/Raio-X → Conclusão da Bolacha

Fabricação de Chip:
Bolacha → Projeto de Máscara e Litografia → Corrosão Iônica → Deposição/Recozimento de N-eletrodo → Deposição/Recozimento de P-eletrodo → Corte → Classificação e Binning