GaN-on-Si LEDPlaquettes épitaxialesSont des plates-formes matérielles essentielles pour les appareils optoélectroniques performants. La lumière bleue et verte, comme les deux bandes de longueur d’onde de noyau des led à base de gan-sont largement utilisées dans l’éclairage, les affichages, et d’autres champs optoélectroniques. Cependant, en raison des propriétés des matériaux et des limites de la technologie épitaxiale, il existe des différences importantes dans les performances et les procédés de fabrication des plaquettes épitaxiales à lumière bleue et verte. Cet article fournit une analyse approfondie des caractéristiques techniques, des défis de fabrication et des perspectives futures des plaquettes épitaxiales à lumière bleue et verte GaN-on-Si.

1. Avantages et antécédents techniques de GaN-on-Si Epitaxy

Le nitrure de Gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur à large bande (3,4 eV) à bande directe, ce qui en fait un choix idéal pour les led bleues et vertes en raison de ses propriétés optoélectroniques à haute efficacité. Traditionnellement, l’épitaxie GaN a été réalisée sur des substrats de saphir ou de carbure de silicium. Cependant, la technologie GaN-on-Si a attiré une attention significative pour ses avantages uniques:

• Faible coût et évolutivité:Les substrats de silicium sont peu coûteux et peuvent être mis à l’échelle jusqu’à des tailles de 8 pouces ou plus, ce qui facilite la production à grande échelle.

• Excellente conductivité thermique:La conductivité thermique élevée du silicium améliore la dissipation de la chaleur dans les led.

• Potentiel d’intégration:GaN-on-Si est compatible avec les procédés de fabrication à base de silicium, permettant le développement de dispositifs optoélectroniques intégrés.

  
  

Malgré ces avantages, GaN-on-Si fait face à des défis tels que la forte incompatibilité de la grille (17%) et une grande différence de coefficient de dilatation thermique (~56%) entre GaN et le silicium, ce qui peut conduire à des fissures et des densités de dislocation élevées pendant l’épitaxie. Ces problèmes sont atténués par des conceptions avancées de couche tampon et des techniques de gestion du stress.

2. Caractéristiques techniques des plaquettes épitaxiales à lumière bleue

2.1 matériaux et processus de Fabrication

Les tranches épitaxiales à lumière bleue sont généralement basées sur des puits multi-quantiques InGaN (MQWs) à faible teneur en indium (environ 5% à 15%), atteignant des longueurs d’onde d’émission de 450 à 490 nm.

• Conception de la couche tampon: des couches tampons AlN ou AlGaN à basse température sont introduites sur des substrats de silicium pour réduire l’inadaptation du réseau et les contraintes thermiques.

• Techniques de croissance épitaxiale:Le dépôt de vapeur chimique métal-organique (MOCVD) est utilisé, permettant un contrôle précis de la température et du flux de gaz pour assurer une épaisseur de puits quantique uniforme.

2.2 caractéristiques de Performance

• Efficacité et fiabilité:Les plaques épitaxiales à lumière bleue ont de faibles densités de défauts (~10⁷ cm⁻²), des rendements quantiques externes élevés (plus de 80%) et des processus de production matures.

• Applications:Ces plaquettes sont largement utilisées dans les LEDs blanches (lumière bleue avec phosphore), les lasers bleus (stockage optique), et l’affichage rétro-éclairage.

2.3 avantages techniques

• Large fenêtre de croissance des matériaux et haute qualité épitaxiale.

• Procédés de fabrication établis adaptés à la production de masse.

• Entièrement commercialisé, dominant le marché des LED.

3. Caractéristiques techniques des plaquettes épitaxiales Green Light

3.1 matériaux et procédés de Fabrication

Les wafers épitaxiaux à lumière verte utilisent également des MQW en InGaN, mais nécessitent une teneur en indium plus élevée (environ 20% à 30%) pour atteindre des longueurs d’onde d’émission de 490-550 nm.

• Défis liés à la haute teneur en Indium:

  Séparation de Phase d’indium:Une teneur élevée en indium augmente la tendance à la séparation des phases, dégradant la qualité du cristal.

  Contrainte thermique:Des températures de croissance plus basses requises pour une incorporation élevée d’indium exacerbent les contraintes thermiques et la formation de fissures.

• Couches de tampon améliorées:

  Des tampons AlGaN multicouches ou des couches de gestion du stress sont utilisés pour réduire le stress inadapté et optimiser la qualité épitaxiale green light.

3.2 caractéristiques de Performance

• Efficacité et fiabilité:Les wafers épitaxiaux à lumière verte présentent des densités de défauts plus élevées (~10⁹ cm⁻²) et des efficacités quantiques externes plus faibles (environ 40 à 60%) par rapport à la lumière bleue.

• Défis techniques:Le "green gap" La baisse de l’efficacité du problème aux longueurs d’onde vertes reste un obstacle important.

3.3 Applications

• Affichages couleur RVB:En particulier dans les affichages Micro-LED, le feu vert est un composant essentiel de la gamme de couleurs RVB.

• Éclairage spécialisé:Les Applications incluent l’éclairage biomédical et de croissance des plantes.

4. Comparaison technique des plaquettes épitaxiales à lumière bleue et verte

5. Évolution et perspectives futures

5.1 progrès dans les plaquettes épitaxiales à lumière bleue

Réduction des coûts: optimisation des procédés GaN-on-Si pour les substrats de grand diamètre afin de réduire les coûts de production.

Amélioration de l’efficacité et de la densité de puissance: amélioration des couches tampons et des techniques de gestion du stress pour améliorer encore la qualité épitaxiale.

5.2 percées pour les plaquettes épitaxiales Green Light

Résoudre le problème de l’écart vert: utiliser des conceptions avancées de puits quantiques (p. ex. ingénierie de polarisation) et des techniques de croissance à basse température pour améliorer la qualité des matériaux.

Technologies alternatives: exploration de points quantiques ou de techniques de conversion de la lumière pour relever les défis d’efficacité.

Expansion du marché des écrans couleur: accélérer l’adoption de led vertes à haute efficacité dans la technologie Micro-LED.

6. Conclusion Conclusion

Les plaquettes épitaxiales à lumière bleue et verte de GaN-on-Si présentent des différences distinctes dans la réalisation technique. Alors que les tranches de lumière bleue sont matures et largement commercialisées, les tranches de lumière verte font face à des défis associés à une teneur élevée en indium et à une efficacité moindre. Avec les progrès en cours dans la technologie épitaxiale GaN-on-Si, les plaquettes bleues et vertes sont sur le point de jouer des rôles de plus en plus critiques dans les écrans, l’éclairage et les dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération.