Энтузиаст сделал дома белый GaN-светодиод

Самая трудная часть светодиода начинается после того, как кристалл уже умеет светить. На пластине есть p-GaN, квантовые ямы InGaN и n-GaN, однако такой сэндвич ещё нельзя поставить на плату. Требуются доступ к обоим полупроводниковым слоям, контакты, разделение пластины на die и соединение хрупкого кристалла с внешним миром.

Именно эту цепочку собрал в домашней чистой комнате проект Dr. Semiconductor. Стартовым материалом служит покупная эпитаксиальная пластина на сапфире: сложнейшая физика роста нитрида галлия, легирования и формирования квантовых ям уже выполнена промышленным MOCVD-процессом. Домашняя работа начинается там, где эпитаксия должна стать компонентом.

Чтобы добраться до n-GaN под активной областью, автор локально обрабатывает поверхность УФ-лазером с длиной волны 355 нм. Лазер повреждает и удаляет GaN в нужном рисунке; затем 0.8 wt% KOH при 80 °C дочищает остатки металлического галлия и нарушенный слой. Для GaN это домашняя замена хлорному RIE или ICP-травлению, привычному в фабричном маршруте.

После фотолитографии напыляется p-контакт Ni/Ag и отжигается на воздухе примерно при 450 °C. Кислородный отжиг Ni-содержащих контактов к p-GaN имеет известную физическую основу, хотя контактное сопротивление именно этого Ni/Ag-стека автор не публикует. Следующий Ti/Ag-слой выводит n- и p-терминалы на одну сторону кристалла. Так рождается геометрия для монтажа лицом вниз: контакты остаются под die, а свет выходит через сапфировую сторону.

Тем же 355-нм лазером пластину режут на отдельные кристаллы. На ENIG-плате заранее электрохимически выращены индиевые bump'ы. Die совмещают с ними, наносят канифольный флюс и нагревают плату до 220 °C. Индий плавится уже при 157 °C и образует одновременно электрическое и механическое соединение. Такая посадка действительно соответствует flip-chip, хотя это пока демонстрационная сборка: нет данных о сопротивлении interconnect, термоциклировании, прочности на сдвиг и тепловом сопротивлении.

Финальный штрих повторяет устройство массовой белой лампы. На синий InGaN-кристалл нанесена прозрачная смола с порошком Ce:YAG. Люминофор поглощает часть синего излучения и переизлучает его около жёлтой области; остаток синего вместе с жёлтым светом воспринимается глазом как белый.

В опубликованной демонстрации есть видимое свечение, но нет I–V-кривой, спектра, светового потока, EQE, WPE и испытаний ресурса. Поэтому говорить о яркости, эффективности или качестве белого света рано. Сам факт остаётся редким и красивым: домашний процесс дошёл от рисунка на эпитаксиальной пластине до кристалла, который можно приплавить к обычной PCB и заставить работать как светодиодный компонент.