Применение специальных газов в светодиодной оптоэлектронике

Эпитаксия широко признана ключевым этапом в производстве светодиодных чипов. Качество эпитаксиального процесса напрямую определяет световую эффективность, однородность длины волны и срок службы светодиодных чипов. Поддержку этого критически важного процесса обеспечивает высокоточная система специальных газов.

По мере стремительного развития новых технологий отображения, таких как Mini LED и Micro LED, требования к производственным условиям и материалам для процессов постоянно возрастают. Чистота, стабильность и надёжность поставок специальных газов становятся ключевыми факторами, ограничивающими модернизацию отрасли.

Эпитаксия: отправная точка «роста» светодиодных чипов

В цепочке создания стоимости светодиодной продукции эпитаксиальные технологии, оборудование и материалы составляют три основных столпа производства эпитаксиальных пластин. MOCVD (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы) на сегодняшний день является основной технологией выращивания эпитаксиальных пластин и устоявшимся промышленным процессом; это базовая методика производства большинства оптоэлектронных материалов.

Основной принцип метода металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) заключается в подаче в реакционную камеру с помощью транспортного газа органических металлических соединений и гидридов, содержащих определённые элементы, в качестве прекурсоров. На подложке при высокой температуре происходят химические реакции, в результате которых формируется эпитаксиальный моно-кристаллический слой. Этот процесс предъявляет чрезвычайно высокие требования к чистоте газов, точности и стабильности их расхода.

Ключевая роль специальных газов в эпитаксиальном росте

Специальные газы сверхвысокой чистоты выполняют различные функции в процессе эпитаксии:

Реакционные газы:

● Высокочистые арсин (AsH3), фосфин (PH3) и аммиак (NH3) являются основными реакционными газами и обеспечивают поступление элементов V группы (мышьяк, фосфор, азот), которые взаимодействуют с элементами III группы для образования полупроводниковых соединений.

Легирующие газы:

● Силан (SiH4) применяется для создания n-типа легирования при производстве арсенида галлия, что позволяет точно контролировать электрические свойства эпитаксиальных слоёв. Хлористый водород (HCl) и хлор (Cl2) широко используются в качестве травильных газов для тонкого травления и обработки поверхности.

Газы-носители:

● Аргон (Ar), азот (N2) и гелий (He) транспортируют прекурсоры в реакционную камеру, обеспечивая инертную среду процесса.

Органические источники:

● Ключевые органические источники включают триметилгаллий (TMGa), триметилиндий (TMIn), триметилалюминий (TMAl), диэтилцинк (DEZn) и бис(циклопентадиенил)магний (Cp2Mg), которые обеспечивают элементы III группы и акцепторные легирующие примеси.

Чистота: ключевой параметр, определяющий качество светодиодов

По мере созревания технологии соединённых полупроводников и ускорения её промышленного внедрения разработка ультрачистых специальных газов и органических источников продвинулась в нескольких направлениях:

● Глубокая очистка с применением многоступенчатых процессов для поддержания содержания примесей на чрезвычайно низком уровне.

● Очистка внутренних поверхностей баллонов и трубопроводов методами электрополировки и электрохимической полировки во избежание вторичного загрязнения при подаче газа.

● Повышение чувствительности обнаружения следовых примесей — от уровней ppm и ppb до уровня ppt.

● Постоянное совершенствование очистки и анализа металлических примесей на уровне частей на триллион (ppt).

● Очистка отработанных газов с системами аварийной сигнализации и интегрированная подача экологически чистых газов для обеспечения безопасности и соблюдения экологических норм.

● Высокоточное приготовление смесей специальных газов в соответствии с точными требованиями различных технологических процессов.

● Технология фильтрации частиц, включая испытания и фильтрацию частиц размером от 0,01 до 0,002 мкм.

Возьмём аммиак — наиболее широко применяемый газ в светодиодной промышленности: его чистота повысилась с электронного класса (5N) до 5,5N и 5,7N, а затем до «голубого аммиака» (6,4N), который сегодня активно используется при производстве нитрида галлия.

Поскольку такие примеси, как влага и углеводороды, строго ограничены, а большинство специальных газов химически активны и трудно сохраняются в чистом виде, чистота газов и надёжность систем их подачи стали главными приоритетами для производителей полупроводников.