LEDの動作原理から、エピタキシャルウェーハ材料がLEDの中核部品であることは明らかです。実際、波長、輝度、順方向電圧といった主要な光電子パラメータは、エピタキシャル材料によって大きく左右されます。エピタキシャルウェーハ技術と装置は製造プロセスにおいて極めて重要であり、有機金属化学気相成長法（MOCVD）はIII-V族、II-VI族化合物、およびそれらの合金の薄い単結晶層を成長させる主な方法です。以下は、LEDエピタキシャルウェーハ技術の将来の動向です。
1. 二段階成長プロセスの改善
現在、商業生産では2段階成長プロセスが採用されていますが、一度に処理できる基板枚数には限りがあります。6枚ウェーハシステムは成熟していますが、20枚程度のウェーハを処理できる装置はまだ開発段階です。ウェーハ枚数を増やすと、エピタキシャル層の均一性が不十分になることがよくあります。今後の開発は、以下の2つの方向に重点的に取り組んでいきます。
- 一つの反応室により多くの基質を装填できる技術を開発し、大規模生産とコスト削減に役立てます。
- 高度に自動化され、繰り返し可能なシングルウェーハ装置の進化。
2. ハイドライド気相成長（HVPE）技術
この技術は、転位密度の低い厚膜を高速に成長させることを可能にし、他の方法によるホモエピタキシャル成長の基板として利用できます。さらに、基板から分離したGaN薄膜は、バルクGaN単結晶チップの代替となる可能性があります。しかし、HVPE法には、精密な厚さ制御の難しさや、反応ガスの腐食性がGaN材料の純度向上を阻害するなどの欠点があります。
SiドープHVPE-GaN
(a) SiドープHVPE-GaNリアクターの構造。(b) 800μm厚のSiドープHVPE-GaNの画像。
(c) SiドープHVPE-GaNの直径に沿った自由キャリア濃度の分布
3. 選択エピタキシャル成長または横方向エピタキシャル成長技術
この技術により、転位密度をさらに低減し、GaNエピタキシャル層の結晶品質を向上させることができます。このプロセスは以下のとおりです。
- 適切な基板 (サファイアまたは SiC) 上に GaN 層を堆積します。
- 上部に多結晶 SiO₂ マスク層を堆積します。
- フォトリソグラフィーとエッチングを使用して、GaN ウィンドウと SiO₂ マスク ストリップを作成します。その後の成長中に、GaN は最初にウィンドウ内で垂直方向に成長し、次に SiO₂ ストリップ上で横方向に成長します。
XKHのGaN-on-サファイアウエハ
4. ペンデオエピタキシー技術
この方法は、基板とエピタキシャル層間の格子不整合および熱不整合によって引き起こされる格子欠陥を大幅に低減し、GaN結晶の品質をさらに向上させます。手順は以下のとおりです。
- 2 段階のプロセスを使用して、適切な基板 (6H-SiC または Si) 上に GaN エピタキシャル層を成長させます。
- エピタキシャル層を基板まで選択的にエッチングし、交互に配置されたピラー (GaN/バッファ/基板) とトレンチ構造を作成します。
- 元の GaN ピラーの側壁から横方向に伸びて、トレンチ上に浮かぶ追加の GaN 層を成長させます。マスクを使用しないため、GaN とマスク材料の接触が回避されます。
XKHのGaN-on-Siliconウェハ
5. 短波長UV LEDエピタキシャル材料の開発
これにより、紫外線励起蛍光体ベースの白色LEDの確固たる基盤が築かれます。多くの高効率蛍光体は紫外線励起が可能で、現在のYAG:Ceシステムよりも高い発光効率を実現し、白色LEDの性能向上に貢献します。
6. 多重量子井戸（MQW）チップ技術
MQW構造では、発光層の成長中に異なる不純物をドープすることで、異なる量子井戸を形成します。これらの井戸から放出された光子の再結合によって、白色光が直接生成されます。この方法は、発光効率の向上、コストの削減、パッケージングと回路制御の簡素化を実現しますが、技術的な課題はより大きくなります。
7. 「光子リサイクル」技術の開発
1999年1月、日本の住友化学はZnSe材料を用いた白色LEDを開発しました。この技術では、ZnSe単結晶基板上にCdZnSe薄膜を成長させます。通電すると薄膜から青色光が放出され、この青色光がZnSe基板と相互作用して補色の黄色光を生み出し、白色光を生成します。同様に、ボストン大学フォトニクス研究センターは、青色GaN-LED上にAlInGaP半導体化合物を積層することで白色光を生成しました。
8. LEDエピタキシャルウェハプロセスフロー
① エピタキシャルウェーハ製造：
基板 → 構造設計 → バッファ層成長 → N型GaN層成長 → MQW発光層成長 → P型GaN層成長 → アニール → 検査（フォトルミネッセンス、X線） → エピタキシャルウェーハ
② チップ製造：
エピタキシャルウェーハ → マスク設計・製作 → フォトリソグラフィー → イオンエッチング → N型電極（堆積、アニール、エッチング）→ P型電極（堆積、アニール、エッチング）→ ダイシング → チップ検査・グレーディング。
ZMSHのGaN-on-SiCウエハ
投稿日時: 2025年7月25日