GaN赤色発光ダイオード(LED)エピウェーハ
インテリジェント時代の到来に伴い、ディスプレイ技術は日常生活においてますます重要な役割を果たしています。高解像度、高輝度、高コントラスト、高速応答、低消費電力などの利点により、ミニ/マイクロ LED ディスプレイは次世代ディスプレイ技術の有力な候補となっています。現在、青色および緑色 LED は InGaN 材料系を使用して効率的に実現できますが、赤色発光ダイオードは主に AlGaInP 材料系に依存しています。しかし、AlGaInPベースの赤色発光ダイオードは、チップサイズがマイクロメートルスケールに縮小されると外部量子効率の大幅な低下に悩まされ、また、電圧範囲と光照射野分布の点でInGaNベースの青色/緑色LEDと互換性がないことも示します。これらの問題により、フルカラー ミニ/マイクロ LED ディスプレイの統合と製造が制約されます。したがって、全窒化物フルカラーディスプレイを実現するために、InGaN 材料系に基づく赤色発光ダイオードを開発することは、ディスプレイ技術における現在のボトルネックを克服するための重要な道となっています。
1. 赤色発光ダイオードエピウエハの仕様
学術研究は進歩し続けているが、一部の半導体企業はすでにGaNベースの赤色発光ダイオードエピウェーハの小規模生産を達成している。 PAM-XIAMEN は、以下の一般的な構造と性能パラメータを備えた 4 インチ GaN-on-sapphire 赤色 LED エピウェーハを提供しています。
1.1 サファイアベースの 4 インチ GaN 赤色発光ダイオード エピタキシャル構造
| 層構造 | 厚さ | ドーピングの種類 |
| p-GaN層 | * | * |
| 多重量子井戸活性領域 | * | * |
| n-GaN層 | * | Siドープ |
| UID GaNバッファ層 | * | — |
| パターン化されたサファイア基板 | 650μm | — |
注: 特定の厚さとドーピング濃度は、顧客の要件に応じてカスタマイズできます。
1.2 サファイア赤色 LED エピタキシー上の GaN の性能
| パラメーター | 標準値 | 標準偏差 (STD) |
| フォトルミネッセンスのピーク波長 | 590～600nm | ≤7nm |
| XRD(002)半値幅 | ≤250 秒角 | — |
| XRD(102)半値幅 | ≤350 秒角 | — |
2. InGaN赤色発光ダイオードのエピタキシーの技術的ボトルネックと物理的メカニズム
2.1 高インジウム組成 InGaN 量子井戸の課題
600 nmを超える波長で赤色発光を実現するには、InGaN量子井戸内のインジウム組成が30%を超える必要があります。しかし、高インジウム InGaN 材料は、MOCVD エピタキシー中に 3 つの主要な技術的課題に直面しています。
- 格子不整合による強い圧縮応力:InN と GaN の間には格子定数に大きな違いがあります。高 In 組成の InGaN 層は、下にある GaN テンプレートから強い圧縮応力を受け、効果的なインジウムの取り込みが抑制されます。
- 材料の品質劣化:インジウム組成が高いと、InGaN 材料は相分離、表面偏析、高密度欠陥形成を起こしやすく、発光効率が大幅に低下します。
- 既存のプロセスとの互換性の問題:ほとんどのひずみエンジニアリング ソリューション (多孔質 GaN や 2D 材料支援成長など) は、成熟したサファイアベースの青色/緑色 LED エピタキシー プロセスと互換性がなく、工業化の妨げになっています。
2.2 ひずみ工学のコアロジック
インジウムの原子半径はガリウムの原子半径よりも大きいため、GaN 表面の格子定数を拡大することがインジウムの取り込み効率を高める鍵となります。 GaN テンプレートに引張応力を導入することにより、格子不整合によって引き起こされる圧縮応力を部分的に相殺することができ、それによって高インジウム InGaN 量子井戸の成長にとってより好ましいひずみ条件を作り出すことができます。
3. GaN赤色LEDエピウェーハの高効率ひずみ工学技術の比較
3.1 赤色 LED ウェーハにおける粒子合体引張応力を誘発する複合バッファ層
チェンら。 (2023) は、スパッタリングされた AlN 核生成層と MOCVD 低温 GaN 層からなる複合バッファ層を提案しました。低温GaN層の厚さを最適化（最適値：7nm）することで、その後の高温GaNエピタキシー中に3D GaN粒子が合体して引張応力が発生し、それによってGaN表面の格子定数が拡大し、InGaN量子井戸へのインジウム取り込み効率が大幅に向上します。
- デバイスのパフォーマンス:ピーク波長 629nm、EQE 7.4% (@0.5A/cm²)
- 低電流密度の利点:0.5A/cm²未満でも効率の低下なし
- ディスプレイアプリケーション:これらのInGaN赤色発光ダイオードチップをベースにしたフルカラーミニLEDパネルは、Rec.の74.1%を達成します。 2020 色域
3.2 InGaN分解層の歪み緩和テンプレート
胡ら。 (2023) は、InGaN 分解層と分解停止層構造 (DL-DSL SRT) を提案しました。このアプローチでは、高温 GaN 成長の前に極薄 InGaN 層が導入されます。高温での熱分解によりナノボイドが生成され、上にある GaN 層の圧縮応力が効果的に解放されます。異なる温度で成長させたGaN保護層は分解プロセスを正確に制御し、表面粗さを1nm未満に維持しながら歪み緩和を実現します。
- 波長均一性:発光波長の標準偏差は4インチウェーハ全体でわずか3.4nm
- デバイスのパフォーマンス:ピーク波長 634nm、EQE 1.3% (@10A/cm²)
- プロセスの互換性:従来のMOCVDプロセスとの親和性が高く、量産に最適
将来的には、外部量子効率のさらなる向上、波長均一性の継続的な最適化、欠陥密度の効果的な低減により、全窒化物フルカラーディスプレイ技術は実験室研究から商業応用への移行を加速するでしょう。 GaN ベースの高性能赤色発光ダイオードの開発は、この変革を可能にする重要な要素であり、真に統合されたフルカラー ミニ/マイクロ LED ディスプレイへの道を切り開きます。
研究用または産業用アプリケーションで GaN LED ウェーハが必要な場合は、次のアドレスまで電子メールでお問い合わせください。[email protected] と [email protected].
参考文献：
- Chen, Z.、Sheng, B.、Liu, F.、Liu, S.、Li, D.、Yuan, Z.、… & Wang, X. (2023)。フルカラー窒化物ディスプレイを目指したサファイア上の高効率 InGaN 赤色ミニ LED: ひずみ変調の効果。先端機能材料、33(26)、2300042.
- Hu, J.、Xing, K.、Xia, Z.、Sang, Y.、Yang, X.、Tao, T.、… & Liu, B. (2023)。その場InGaN分解テンプレート上のInGaNベースの赤色発光ダイオードのウェーハスケールの発光均一性。応用物理学レター、123(11)。