Les plaquettes épitaxiales LED constituent le cœur des dispositifs LED, déterminant directement les propriétés optoélectroniques clés telles que la longueur d'onde d'émission, la luminosité et la tension directe. Parmi toutes les techniques de fabrication, le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) joue un rôle dominant dans la croissance épitaxiale des semi-conducteurs composés III-V et II-VI. Voici plusieurs avancées technologiques et tendances qui façonnent l'avenir de l'épitaxie LED.

1. Optimisation de la technique de croissance en deux étapes

La norme commerciale implique un processus de croissance épitaxiale en deux étapes. Cependant, les réacteurs MOCVD actuels ne peuvent accueillir qu'un nombre limité de substrats par cycle—généralement 6 plaquettes—tandis que les configurations à 20 plaquettes sont encore en cours d'optimisation. Cette limitation affecte l'uniformité sur les plaquettes. Les orientations futures incluent :

• Mise à l'échelle :Développement de réacteurs prenant en charge des charges de plaquettes plus élevées pour réduire le coût unitaire.

• Automatisation :Mise en avant des outils à plaquette unique avec une reproductibilité élevée et une automatisation des processus.

2. Épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE)

HVPE permet une croissance rapide de couches épaisses de GaN avec une faible densité de dislocations de filetage. Ces films peuvent servir de substrats pour la croissance homoépitaxiale via d'autres méthodes. De plus, les films de GaN autonomes séparés des substrats d'origine pourraient servir d'alternatives au GaN massif. Néanmoins, HVPE souffre d'un faible contrôle de l'épaisseur et de sous-produits corrosifs, ce qui limite la pureté du matériau.

3. Croissance épitaxiale sélective ou latérale

Cette méthode améliore considérablement la qualité des cristaux en réduisant la densité des défauts dans les couches de GaN. Une couche de GaN est d'abord déposée sur un substrat (généralement saphir ou SiC), suivie d'une couche de masque de SiO₂ polycristallin. La photolithographie et la gravure exposent des fenêtres dans la couche de GaN. Le GaN croît ensuite verticalement dans ces fenêtres avant de s'étendre latéralement sur le masque.

4. Pendeo-épitaxie pour la réduction des défauts

La pendeo-épitaxie offre un moyen d'atténuer les défauts induits par le désaccord de réseau et thermique. Le GaN est cultivé sur des substrats comme 6H-SiC ou Si en utilisant un processus en deux étapes. La gravure à motifs crée des structures alternées de piliers et de tranchées de GaN, sur lesquelles la croissance latérale forme des couches de GaN en suspension. Cette méthode élimine le besoin d'une couche de masque et évite la contamination des matériaux.

5. Développement de matériaux LED UV

Des efforts sont en cours pour développer des matériaux LED UV à courte longueur d'onde, fournissant une base solide pour les LED blanches excitées par UV utilisant des luminophores trichromatiques. Ces luminophores, plus efficaces que les systèmes conventionnels à base de YAG:Ce, ont le potentiel d'améliorer considérablement l'efficacité lumineuse.

6. Technologie de puits quantiques multiples (MQW)

Les structures MQW introduisent des couches avec des dopants et des compositions variables pendant la croissance, créant des puits quantiques qui émettent des photons de différentes longueurs d'onde. Cette technique permet l'émission directe de lumière blanche et réduit la complexité de la conception des circuits et des boîtiers, bien qu'elle présente des défis de fabrication considérables.

7. Technologie de recyclage des photons

Sumitomo Electric a développé une LED blanche utilisant ZnSe et CdZnSe en 1999. La lumière bleue émise par la couche de CdZnSe excite le substrat de ZnSe, produisant une lumière jaune complémentaire, ce qui donne une émission blanche. De même, l'Université de Boston a obtenu de la lumière blanche en superposant AlInGaP sur des LED bleues à base de GaN.

Processus de fabrication des plaquettes épitaxiales LED

Croissance épitaxiale :
Substrat → Conception structurelle → Couche tampon → Couche GaN de type N → Couche d'émission MQW → Couche GaN de type P → Recuit → Inspection optique/rayons X → Achèvement de la plaquette

Fabrication des puces :
Plaquette → Conception du masque et lithographie → Gravure ionique → Dépôt/recuit d'électrode N → Dépôt/recuit d'électrode P → Découpe → Tri et classement