Aktueller Stand der Industrie der Halbleiterleuchtstoffe für LED – Teil II

4. Auswahl des Substratmaterials

Derzeit wird in LEDs hauptsächlich GaN als Halbleitermaterial verwendet. Mit der Reife des epitaktischen GaN-Wachstumsprozesses und der Geräteherstellungstechnologie wurden Festkörperlichtquellen aus Infrarot, sichtbarem, weißem Licht und einigen ultravioletten Bändern gebildet; während GaN-Dünnfilmmaterialien noch keine Einkristalle waren, wird GaN auf einem verwandten speziell geformten Trägersubstrat homoepitaktisch gezüchtet, indem man sich auf metallorganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) stützt. Daher wird die Wahl des Substratmaterials in der späteren Phase einen größeren Einfluss auf das LED-Package und die Leistung haben.

 

Die Anforderungen an die Auswahl von GaN-basierten Substratmaterialien sind derzeit:

 

(1) Die Kristallstruktur stimmt überein und die Kristallstruktur und Zusammensetzung sind ähnlich;

 

(2) Gitteranpassung, Substratmaterial und epitaktische Filmgitteranpassung;

 

(3) Prinzip der Wärmeausdehnungsanpassung: Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Epitaxiefilms und des Substratmaterials sind ähnlich;

 

(4) Aufgrund des Stabilitätsprinzips muss das Substratmaterial eine recht gute chemische Stabilität aufweisen und kann nicht mit dem Epitaxialfilm chemisch reagieren, was die Qualität des Epitaxialfilms verringert;

 

(5) Das verwendete Substrat ist leicht, um größere Kristalle zu züchten;

 

(6) Einfach zu integrieren und guter Wärmeableitungseffekt;

 

(7) Der Herstellungsprozess des Substratmaterials ist einfach, leicht zu verarbeiten und die Kosten dürfen nicht zu hoch sein;

 

(8) Die Leitfähigkeit des Substrats muss gut sein, um die Herstellung der Substratelektrode zu erleichtern.

Derzeit umfassen GaN-Substratmaterialien hauptsächlich:

(1) Saphir (α-Al2O3)-Substrat Saphir ist das am häufigsten verwendete Substrat für die GaN-Epitaxie. Als Substratmaterial hat Saphir die Vorteile der chemischen Stabilität bei hoher Temperatur (1000 ℃), leicht zu erhalten, große Abmessungen, niedriger Preis usw.; der Nachteil ist, dass zwischen ihm und GaN eine große Gitterfehlanpassung (16%) und eine thermische Ausdehnungsfehlanpassung besteht.

Die große Gitterfehlanpassung führt zu einer hohen Versetzungsdichte in der GaN-Epitaxieschicht, und die höhere Versetzungsdichte verringert die Ladungsträgerbeweglichkeit und die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger, wodurch die Wärmeleitfähigkeit verringert wird. Die thermische Fehlanpassung erzeugt während des Kühlprozesses der Epitaxieschicht Spannungen, die zu Rissen führen und letztendlich die Produktleistung verringern.

Saphir ist derzeit das Hauptsubstratmaterial für GaN-basierte blaugrüne LEDs. Unter den gegenwärtigen Umständen gibt es kein anderes Trägermaterial, das es ersetzen kann.

(2) Siliziumkarbid (SiC)-Substrat.

SiC ist ein weiteres wichtiges Halbleitersubstratmaterial. Aufgrund des geringen Widerstands von SiC kann eine andere Elektrode hergestellt werden. Die Gitterkonstante und der Wärmeausdehnungskoeffizient liegen näher bei GaN-Materialien. Die Anwendung von 6H-SiC als Substratmaterial ist nach Saphir an zweiter Stelle, und seine Gitterfehlanpassung mit GaN beträgt etwa 3,5%.

Darüber hinaus hat 6H-SiC selbst blaues Licht emittierende Eigenschaften und ist ein Material mit niedrigem Widerstand, das zur Herstellung von Elektroden verwendet werden kann. Dies ermöglicht es der Vorrichtung, den Epitaxiefilm vor dem Verpacken zu testen, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit von 6H-SiC als Substratmaterial verbessert wird.

(3) Zinkoxid (ZnO)-Substrat. Da ZnO und GaN ähnliche Eigenschaften aufweisen, beträgt die Fehlanpassung zwischen ZnO und GaN in Richtung der α-Achse 1,9 % und die Fehlanpassung in Richtung der C-Achse beträgt 0,4 %. Im Vergleich zu α-A12O3 weist ZnO eine geringere Fehlanpassung und eine bessere Anpassung auf. Darüber hinaus hat ZnO auch die Vorteile der einfachen Herstellung und der leichten Korrosion durch Säure. Bei einigen Anwendungen kann die GaN-Schicht durch selektives Ätzen von ZnO vom Substrat getrennt werden [10].

Da Zinkoxid selbst im Vergleich zu anderen Materialien ebenfalls ein wichtiges elektrolumineszierendes Material ist, kann es gleichzeitig eine homogene Epitaxie durchführen, und seine Entwicklungsvorteile liegen auf der Hand.

 

(4) Silizium und Galliumarsenid. Im Vergleich zu Saphir und SiC haben Si-Materialien die Vorteile geringer Kosten, großer Fläche, hoher Qualität, guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und die Siliziumprozesstechnologie ist ausgereift. Es wird erwartet, dass das Wachstum von GaN-Filmen auf Si-Substraten die Integration von Optoelektronik und Mikroelektronik ermöglicht.

Außerdem sind Si- oder GaAs-Substrate sehr billig, und das Herstellungsverfahren ist ausgereift und kann auf einem großen Gebiet erhalten werden. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Verwendung dieser Substrate zum Züchten von GaN-Materialien in Zukunft optoelektronische GaN-Bauelemente mit ausgereiften elektronischen Si- und GaAs-Bauelementen integrieren wird.

Aufgrund der enormen Gitterfehlanpassung und thermischen Fehlanpassung zwischen dem Si-Substrat und der GaN-Epitaxieschicht verursacht dies jedoch eine große Anzahl von Versetzungen und Rissen im GaN-Material auf dem Si-Substrat, was das Wachstum und die Entwicklung von GaN auf dem Si . bedeutet Substrat. Die Forschung hat Hindernisse aufgebaut.

5. Fortschrittliche Materialaufbereitungstechnologie.

Die Herstellung hochwertiger GaN-Einkristallmassenmaterialien und Dünnfilmmaterialien ist eine Voraussetzung für die Forschung und Entwicklung von III-Nitrid-Licht emittierenden Bauelementen und elektronischen Bauelementen und um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Bauelemente sicherzustellen.

Da der Schmelzpunkt von GaN so hoch wie etwa 1700°C ist, ist es schwierig, geschmolzenes flüssiges GaN zu verwenden, um massive Einkristallmaterialien herzustellen. Obwohl Hochtemperatur- und Hochdrucktechnologie verwendet wird, können nur nadelförmige oder kleinformatige flockenförmige GaN-Kristalle erhalten werden.

 

Gegenwärtig gibt es mehrere Verfahren zum Aufwachsen von Epitaxieschichten. Unter den drei Methoden ist MOCVD die beliebteste für die Massenproduktion. MBE wird aufgrund seiner langsamen Abscheidungsrate im Allgemeinen für das epitaktische Wachstum im Labor verwendet, während HVPE seine Filmdicke schwer zu kontrollieren ist. Selten genutzt.

(1) Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) MOCVD ist die Abkürzung für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, auch bekannt als MOVPE (metallorganische Gasphasenepitaxie). Es befindet sich auf einem Substrat, auf dem sich die Reaktantenatome bei einer bestimmten Temperatur epitaktisch entlang des Kristallgitters befinden. Sein Funktionsprinzip ist ungefähr wie folgt: Wenn die organische Quelle eine bestimmte konstante Temperatur hat, ist ihr gesättigter Dampfdruck konstant.

Durch Steuern des Flusses des Trägergases durch einen Durchflussmesser kann die Menge an organischer Quelle bekannt sein, die von dem Trägergasfluss durch die organische Quelle getragen wird. Das Gas trägt verschiedene Quellen und wird zum Mischen zum Eingang der Reaktionskammer transportiert und dann zum Substrat transportiert, wo eine chemische Reaktion unter Einwirkung einer hohen Temperatur stattfindet und auf dem Substrat epitaktisches Wachstum durchgeführt wird. Die Nebenprodukte der Reaktion werden über Abgas abgeführt.

(2) Molekularstrahlepitaxie (MBE) Die Molekularstrahlepitaxie ist ein Ultrahochvakuumsystem, bei dem Ga, N oder andere Atome von der Strahlquelle auf die erhitzte Substratoberfläche ausgestoßen werden. Diese Atome durchlaufen komplexe Reaktionen an der Oberfläche, um GaN-Materialien zu bilden.

MBE ist im Grunde eine Weiterentwicklung der Vakuumabscheidung. Da es sich um eine Vakuumabscheidung handelt, wird das Wachstum von MBE hauptsächlich durch die Reaktionskinetik des Molekularstrahls und der Kristalloberfläche gesteuert, und sein Wachstumsprozess ist ein Nichtgleichgewichtsprozess.

 

(3) Halogenid-Dampfphasenepitaxie (HVPE) Das HVPE-Verfahren verwendet GaCl und NH3 als Quellen. Die Wachstumsrate ist sehr schnell und erreicht Dutzende von Mikrometern pro Stunde. Es eignet sich sehr gut für die Untersuchung von lateralem epitaxialem GaN-Überwachsen (LEO) und bietet ein dickes selbsttragendes GaN-Substrat. Der Nachteil von HVPE besteht darin, dass es schwierig ist, die Filmdicke genau zu steuern, und das Reaktionsgas ist für die Ausrüstung korrosiv, was die Verbesserung der Reinheit des GaN-Materials beeinflusst.

Vergleich der Produktionstechnologie der weltweit wichtigsten Halbleiterleuchtstoffe

Bei der Saphirkristall- und Waferpräparation sind Produktion und Technologie hauptsächlich in Japan, den USA, Russland und anderen Ländern konzentriert. Unter ihnen kann die nutzbare Größe der in Russland hergestellten Kristalle einen Durchmesser von mehr als 100 mm erreichen. Derzeit ist Nichia der größte Hersteller, der die kommerzielle Anwendung von GaN-Epitaxie-Leuchtstoff-LEDs realisieren kann, die auf Saphirsubstraten aufgewachsen sind. Das Unternehmen hat durch Patentanmeldungen und andere Mittel die Spitze der Mainstream-Technologie besetzt, sodass Unternehmen in anderen Ländern nur zurückblicken können.

Im Vergleich zu anderen Ländern ist die chinesische Forschung noch sehr rückständig. Die Zhejiang Juhua Group, das Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Shenzhen Aopu Optoelectronics Co., Ltd., Shenzhen Miaohao Optoelectronics Co., Ltd. und andere Einheiten beschäftigen sich mit der Züchtung und Waferbearbeitung von Saphirkristallen. Gegenwärtig beträgt die in China erhältliche reife Substratwafergröße 2 Zoll. Was die Kristallgröße betrifft, ist der von der Zhejiang Juhua Company gezüchtete Kristall der größte, und der auf der Shenzhen Optical Expo im Jahr 2004 gezeigte Kristalldurchmesser erreichte 150 mm. Derzeit ist der Preis für Saphir-Wafer gefallen, und der Preis für 50,8-mm-Wafer liegt bei etwa 25 US-Dollar.

 

Für SiC war American Cree das erste Unternehmen, das SiC-Kristalle und -Wafer erforscht und produziert hat. Sie konnten zwischen 1997 und 1998 2- bis 3-Zoll-SiC-Wafer herstellen und arbeiteten später mit der japanischen Nichia Chemical Company zusammen, um blaue und violette LEDs herzustellen. Da der Preis von SiC-Material höher ist als der von Saphir-Substrat, hinkt die Kommerzialisierung dieses Materials weit hinter den üblichen Saphir-Substratmaterialien zurück. China hinkt dem Ausland in der SiC-Einkristall- und Substratforschung seit 5 bis 8 Jahren hinterher. Das State Key Laboratory of Crystal Materials der Shandong University hat die “Large Size SiC Single Crystal Substrate Material Research” mit Unterstützung des nationalen “863”-Programms abgeschlossen. Das Projekt verwendet einen selbst entworfenen Tiegel und ein Temperaturfeld, um 6H-SiC-Kristalle mit einem Durchmesser von mehr als 50,8 mm und einer Kristalldicke von mehr als 20 mm stabil und wiederholt zu züchten. Das Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences hat erfolgreich einen hochwertigen polytype 6H-SiC-Einkristall mit einem Durchmesser von 50,8 mm und einer Dicke von 25,4 mm entwickelt.

 

Was ZnO betrifft, so werden derzeit 50,8 mm ZnO-Wafer in Japan, den Vereinigten Staaten und Russland verkauft. Im Januar 2005 übernahm Japan die Führung bei der erfolgreichen Entwicklung von Elektrolumineszenz-LEDs auf Basis eines homogenen pn-Übergangs aus Zinkoxid. Im Vergleich zu bestehenden GaN-Produkten wird erwartet, dass diese blaue Leuchtröhre aus Zinkoxid die 10-fache Helligkeit der letzteren hat. Preis und Energieverbrauch betragen nur 1/10 davon.

Die Forschungsgrundlage für Zinkoxidsubstrate in China ist sehr schwach, und die Forschung zur Kristallwachstumstechnologie hat gerade erst begonnen, und das Land hat erst in den letzten Jahren große Anstrengungen unternommen, um die Wachstumstechnologie von Zinkoxidkristallen zu untersuchen. Im Juni 2005 verwendete ein Forschungsteam unter der Leitung von Zhang Changlong, einem leitenden Ingenieur des China National Special Mineral Materials Engineering Technology Research Center (Guilin), die hydrothermale Methode der Temperaturdifferenz, um 15,0 mm × 15,6 mm × 6,1 mm ZnO in einem großen -Durchmesser Autoklav Kristall. Es wird berichtet, dass dies Chinas jüngster Fortschritt in der ZnO-Kristallforschung ist.

 

In Bezug auf die GaN-Epitaxie neben Forschungseinheiten wie der Tsinghua University, der Peking University, der Nanchang University und dem Institute of Semiconductors of the Chinese Academy of Sciences, der Shanghai Peking University Blu-ray Technology Co., Ltd., Nanchang Xinlei Optoelectronics Technology Co., Ltd. und Jiangxi Lianchuang Optoelectronics Technology Co., Ltd. Die Herstellung und Erforschung von Epitaxiewafern wird von anderen Einheiten durchgeführt. Die Universität Peking verwendete das LP-MOCVD-System, um eine violette InGaN/GaN MQW-LED-Struktur auf der (0001)-Oberfläche eines Saphirsubstrats (α-A12O3) zu züchten.

Der Photolumineszenztest zeigt, dass die Spitzenwellenlänge der Struktur 399,5 nm beträgt, die FWHM 15,5 nm beträgt und die Wellenlängengleichmäßigkeit gut ist. Derzeit hat die Nanchang University das Wachstum von GaN-Epitaxieschichtmaterialien auf Siliziumsubstraten abgeschlossen. Von der anfänglichen MBE-Methode zum Züchten von rissigen LEDs wurde es entwickelt, um das Produktions-MOCVD -System zum Aufwachsen rissfreier LEDs zu verwenden.

Die Arbeitsspannung ist von über 10 V auf 3,6 V gesunken. Auch die Intensität der Elektrolumineszenz ist von Mikrowatt auf fast Milliwatt gestiegen. Diese Technologie hat das internationale Spitzenniveau erreicht.

Standardsituation von Halbleitermaterialien für LED

Um Beleuchtungs-LEDs zu entwickeln, legen Industrieländer großen Wert auf die Erforschung von LED-Testmethoden und -standards. Zum Beispiel ist das National Institute of Standards and Testing (NIST) in den Vereinigten Staaten eine weltweit anerkannte Prüf- und Forschungsorganisation.

Derzeit haben sie international renommierte Testexperten zusammengebracht, um LED-Testforschung durchzuführen, die sich auf die Lichteigenschaften, Temperatureigenschaften und Lichtzerfalleigenschaften von LEDs konzentriert. , Der Versuch, eine vollständige Reihe von LED-Testmethoden und technischen Standards zu etablieren, hat sich an die Spitze der Welt im LED-Testing gesetzt. Japan hat auch das “White LED Test Research Committee” in der Branche eingerichtet, um die Testmethoden und Standards für weiße LEDs für die Beleuchtung zu untersuchen.

Derzeit gibt es bereits SEMI M3-0304 „Specification for Sapphire Monokristalline Polished Substrate“, SEMI M23-0703 „Specification for Indium Phosphide Monokristalline Polished Wafer“, SEMI M55-0705 „Specification for Silicon Carbide Monokristalline Polished Wafer“ im internationalen SEMI standard “, SEMI M65-0306 “Specifications for Sapphire Substrates for Compound Semiconductor Epitaxial Wafers” und andere verwandte Materialstandards und Testmethodenstandards; China hat auch einige nationale Standards, wie GB/T 20230-2006 “Indium Phosphide Single Crystal”.

Da Chinas LED-Halbleitermaterialindustrie noch keine bestimmte Größenordnung erreicht hat, ist die Zeit für eine Standardformulierung noch nicht reif, aber für die langfristige Entwicklung der LED-Industrie sollten Voruntersuchungen zu relevanten ausländischen Materialstandards durchgeführt werden, um die die Entwicklung ausländischer fortschrittlicher Materialstandards verstehen. Das Land dient der aufstrebenden Industrie meines Landes und bietet eine solide Materialstandardbasis für die LED-Industrie.

Zusammenfassen

Zusammenfassend sollten wir bei Halbleitermaterialien für LED-Chips die folgenden Trends sehen: (1) Die Verwendung von Siliziumsubstraten zum Züchten von lichtemittierenden Dioden mit GaN pn-Übergang ist ein Traum der gesamten LED-Industrie. Wenn es in der Produktion realisiert wird, wird die Technologie in Kombination mit ausgereiften Siliziummaterialverarbeitungs- und Verpackungstechnologien die Entwicklung von GaN in eine weitere Phase rasanter Entwicklung eintreten.

 

(2) Durch die Entwicklung und Anwendung billiger Leuchtstoffe wird die ZnO-Forschung zum nächsten Hot Spot. Wenn hochwertige LD-Elektrolaseremitter mit ZnO-pn-Übergang hergestellt werden können, beginnt die Ära der LD-Anwendung von ZnO.