Lớp nền của chip LED: Đặt nền móng cho các chip.

Lớp nền là phần cơ sở của chip LED và là một tấm bán dẫn. Nó không chỉ là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến lớp màng mỏng của chip mà còn là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của chip. Do đó, việc lựa chọn vật liệu nền là yếu tố hàng đầu cần xem xét khi sản xuất chip LED.

So sánh các vật liệu nền chính:

• Sapphire (Al₂O₃):  Chất nền sapphire có đặc tính độ cứng cao và độ ổn định hóa học mạnh, cho phép chúng cung cấp cấu trúc hỗ trợ ổn định cho lớp màng mỏng. Đồng thời, chất nền sapphire không dễ phản ứng hóa học với các chất khác, đảm bảo tính ổn định của chip LED trong môi trường nhiệt độ cao, độ ẩm cao và các môi trường khác. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của nó tương đối kém, không thuận lợi cho việc tản nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của chip, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của chip.
• Silicon carbide (SiC):  Chất nền silicon carbide có độ dẫn nhiệt tuyệt vời và có thể cải thiện hiệu quả khả năng tản nhiệt của chip. Hơn nữa, hằng số mạng tinh thể của nó tương đối phù hợp với các vật liệu lớp màng mỏng như gallium nitride (GaN), do đó lớp màng mỏng được nuôi cấy trên đó có chất lượng cao, có lợi cho việc cải thiện hiệu suất phát sáng và độ tin cậy của chip LED. Tuy nhiên, chi phí của chất nền silicon carbide tương đối cao, điều này hạn chế ứng dụng quy mô lớn của nó ở một mức độ nhất định.
• Silic (Si):  Vật liệu silic được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn, và quy trình chế tạo của nó đã rất hoàn thiện. Điều này làm cho chi phí sản xuất chất nền silic tương đối thấp. Tuy nhiên, sự không phù hợp về hằng số mạng tinh thể giữa silic và các vật liệu màng mỏng như gali nitrua tương đối lớn, và cần phải áp dụng các công nghệ đặc biệt để tránh tạo ra nhiều khuyết tật tinh thể khi nuôi cấy lớp màng mỏng.

Lớp màng mỏng epitaxy của chip LED: Chìa khóa cho quá trình chuyển đổi điện quang

Lớp màng bán dẫn (epitaxial layer) của LED đề cập đến lớp màng mỏng bán dẫn được tạo ra bằng quy trình epitaxy trên chất nền. Các chất bán dẫn loại N và loại P có trong đó là yếu tố then chốt quyết định khả năng phát quang của chip LED, và các vật liệu epitaxy khác nhau sẽ quyết định các đặc tính phát quang khác nhau của chip.

Đặc điểm của các vật liệu màng mỏng kết tinh thường gặp:

• Gallium Nitride (GaN):  Gallium nitride là vật liệu bán dẫn có khe năng lượng rộng. Độ rộng khe năng lượng cho phép nó phát ra ánh sáng hiệu quả trong dải ánh sáng xanh lục. Trong các chip ánh sáng xanh lục, khi các electron và lỗ trống gặp nhau và tái kết hợp trong vùng hoạt động của gallium nitride, năng lượng photon tương ứng với dải bước sóng ánh sáng xanh lục được giải phóng. Bằng cách kiểm soát các điều kiện tăng trưởng và các nguyên tố pha tạp của lớp màng mỏng gallium nitride, bước sóng phát xạ có thể được điều chỉnh chính xác để đạt được sự phát xạ ánh sáng liên tục từ xanh lam đến xanh lục.
• Gallium Arsenide (GaAs):  Gallium arsenide là một vật liệu bán dẫn hợp chất. Các đặc tính vật liệu của nó giúp gallium arsenide có hiệu suất phát quang tương đối cao trong dải ánh sáng đỏ. Tương tự, trong các chip ánh sáng đỏ, khi các electron và lỗ trống trong lớp màng mỏng gallium arsenide tái kết hợp, nó có thể chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng đỏ một cách hiệu quả.

Cấu trúc chip: Định hình để đáp ứng các yêu cầu

Cùng với sự phát triển của công nghệ công nghiệp, các chip LED cũng có sự khác biệt về thiết kế cấu trúc tổng thể tùy theo các yêu cầu khác nhau.

Cấu trúc ngửa mặt lên

• Vị trí điện cực: Các điện cực được đặt ở cùng một phía phía trên chip. Trong cấu trúc này, dòng điện được bơm từ điện cực phía trên chip, đi qua vùng hoạt động, rồi chảy ra từ điện cực phía bên kia.
• Mối quan hệ giữa vùng hoạt động và chất nền: Vùng hoạt động (thường là khu vực chứa mối nối PN và là bộ phận quan trọng để phát xạ ánh sáng) nằm phía trên chất nền. Sau khi ánh sáng được phát ra từ vùng hoạt động, nó cần phải đi qua điện cực phía trên chip và vật liệu đóng gói trước khi có thể được phát xạ ra ngoài.

Cấu trúc lật

• Vị trí điện cực: Trái ngược với cấu trúc đặt úp mặt lên, các điện cực nằm ở phía dưới của chip. Cấu trúc này được tạo ra bằng cách lật ngược chip đặt úp mặt lên sao cho vùng hoạt động nằm gần vật liệu đóng gói hơn.
• Mối quan hệ giữa vùng hoạt động và chất nền: Vùng hoạt động cũng nằm phía trên chất nền, nhưng cấu trúc lật giúp giảm sự cản trở ánh sáng bởi các điện cực bằng cách đặt các điện cực ở phía dưới. Đồng thời, khoảng cách giữa chip và vật liệu đóng gói cũng gần hơn, điều này có lợi cho việc trích xuất ánh sáng.

Cấu trúc thẳng đứng

• Vị trí điện cực: Các điện cực được đặt lần lượt trên bề mặt trên và dưới của chip, và dòng điện chạy vuông góc với bề mặt chip. Một điện cực nằm ở phía đế, và điện cực còn lại nằm trên bề mặt trên của chip (phía đối diện với vùng hoạt động).
• Mối quan hệ giữa vùng hoạt động và chất nền: Vùng hoạt động nằm giữa điện cực trên và điện cực dưới. Cấu trúc này cho phép dòng điện đi qua vùng hoạt động theo chiều dọc, và chất nền cũng tham gia vào quá trình dẫn điện, điều này có lợi cho việc cải thiện tính đồng đều của dòng điện.