Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Studi e valutazioni sull’uso razionale dell’energia elettrica – Misure per l’incremento di efficienza energetica negli usi finali” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. Il rapporto descrive uno studio approfondito sia della struttura dei dispositivi LED sia delle tecnologie di fabbricazione degli stessi, giungendo alla definizione delle caratteristiche principali di un dispositivo prototipale e dei processi realizzativi più adatti. Lo studio, condotto nella prospettiva di acquisire le competenze e la strumentazione necessarie alla realizzazione dei dispositivi, ha riguardato i materiali semiconduttivi, la configurazione della struttura interna degli strati epitassiali e i processi successivi alla crescita, quali la contattatura metallica, l’assemblaggio del dispositivo. Lo studio dei materiali ha riguardato le caratteristiche delle leghe ternarie e quaternarie dei composti III-V della tabella periodica e la configurazione di doppia eterostruttura adeguata alla emissione di luce nel range del rosso–arancio. La tipologia di materiali in questione è quella delle leghe AlGaInP (Alluminio-Gallio- Indio-Fosforo) con le quali sono già stati realizzati LED che emettono luce con elevate efficienze luminose (circa 100 lm/W). Tali materiali saranno cresciuti con la tecnologia MOVPE (Metallic Organic Vapour Phase Epitaxy) con l’impianto che sarà disponibile in ERSE entro il 2010. I risultati principali raggiunti sono di seguito schematizzati. E’ stato definito il range delle composizioni delle leghe del tipo AlGaInP che soddisfano ai requisiti di essere adatte a formare giunzioni radiative adeguate ai LED, di poter essere depositate nell’impianto MOVPE di ERSE, e di essere “lattice matched” con i substrati di GaAs o di Ge. La struttura ottimale per ottenere un LED ad alta efficienza luminosa è quella del diodo a doppia eterostruttura. Questa struttura, la composizione degli strati epitassiali necessaria alla sua realizzazione e gli intervalli delle concentrazioni di drogante sono descritte dettagliatamente nel rapporto. Poichè i materiali semiconduttori basati sui composti AlGaInP hanno elevati indici di rifrazione con valori vicino a 3, si ha una elevata perdita di luce a causa della Riflessione Interna Totale (TIR). La soluzione al problema della estrazione della luce dal LED non è semplice. L’analisi delle diverse strategie utilizzate per estrarre la luce è stata finalizzata alla individuazione di alcune possibili soluzioni da adottare per il prototipo ERSE. Tra queste, la lavorazione delle superfici laterali del dispositivo, la presenza di superfici riflettenti anche nell’involucro del LED e l’adozione di particolari geometrie del dispositivo. I contatti metallici devono garantire una uniforme distribuzione della corrente all’interno della zona attiva in modo da massimizzare l’emissione di fotoni, dal momento che la luce viene originata solo nella zona interessata dal flusso di carica. D’altra parte i contatti metallici oscurano inevitabilmente un parte della luce emessa. Infine è necessario che il flusso di corrente sia nullo o molto piccolo in prossimità delle superfici laterali. Lo studio ha consentito di approfondire il problema e di proporre una strategia basata su una contattatura distribuita, analoga alla griglia che viene impiegata per le celle fotovoltaiche, consentendo di sfruttare ulteriormente la sinergia delle competenze sviluppate nel settore fotovoltaico. Lo studio ha riguardato anche la composizione degli strati denominati Current Spreading Layer che hanno lo scopo di uniformare la corrente su una più ampia superficie della regione attiva, e i metalli piu’ adatti a generare i contatti sul dispositivo. Si è quindi giunti ad ipotizzare diverse strutture prototipali per il LED da realizzare, descritte in dettaglio nel rapporto. Una di queste è un chip con superfici diffondenti e involucro metallico, con dimensioni tra 250×250 e 500×500 [µm2], di cui sono state delineate la composizione, lo spessore degli strati, i drogaggi e l’involucro metallico. Proseguendo nell’indagine, sono state analizzate le tecnologie realizzative più adatte alla fabbricazione dei LED, facendo riferimento principalmente a quelle impiegate nella industria dei semiconduttori, con la quale

la realizzazione di LED inorganici e di celle fotovoltaiche a concentrazione ha molti punti in comune, poichè si tratta di wafer semiconduttivi con spessore di qualche centinaio di micron e di dispositivi finiti della dimensione di 0,5-2 millimetri di lato. Complessivamente la fabbricazione può essere suddivisa nelle seguenti tipologie di processo: • Crescita epitassiale degli strati attivi • Litografia • Deposizione della contattatura metallica • Deposizione di strati antririflettenti • Attacchi chimici selettivi • Taglio, saldatura e assemblaggio • Caratterizzazione e controllo di qualità dei processi La crescita dei materiali avverrà con tecnologia MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition), nell’impianto che verrà installato nella sede di Piacenza anche per lo sviluppo delle celle fotovoltaiche a multigiunzione che impiegano materiali della stessa tipologia. L’impianto è predisposto alla crescita di semiconduttori composti binari (es. GaAs), ternari (es. GaAlAs) o quaternari (es. InGaAlAs) complessivamente indicati come composti III-V. Per quanto riguarda il processo litografico, necessario a trasferire sulla fetta le geometrie dei contatti metallici, l’indagine ha consentito di individuare come vantaggiosa la litografia con fascio elettronico in luogo della più diffusa litografia UV. La litografia e-beam, che verrà implementata a partire dai primi mesi del 2010 con il microscopio elettronico recentemente acquistato in ERSE, consentirà di ottimizzare l’uso dello strumento evitando l’acquisto di un apparato dedicato alla litografia. Questa tecnica inoltre non necessita di costose maschere ottiche né di “camere gialle” perché il resist impiegato non è sensibile ai raggi UV. Sarà particolarmente utile la flessibilità di predisporre le maschere in formato digitale mentre la relativa lentezza di scrittura della litografia e-beam non è ritenuta uno svantaggio particolarmente gravoso. Per il processo di metallizzazione e deposizione di strati di ossido ci si avvarrà di evaporatori con sorgenti termiche e con sorgenti a impatto elettronico. Per quanto riguarda la saldatura, è stato acquisito lo strumento “Wire Bonder” dotato di microscopio e in grado di saldare con precisione fili in oro o in alluminio del diametro di poche decine di micron con tecnica “ball bonding” oppure “wedge bonding”, assicurando così la massima flessibilità di processo. Le tecniche di caratterizzazione sono necessarie sia per verificare la qualità e la conformità dei processi eseguiti, sia per determinare le caratteristiche dei materiali preparati, anche in fase di ricerca e sviluppo di nuovi processi/materiali. Gli strumenti analitici che verranno usati sono, tra gli altri, il microscopio elettronico, un Polaron e un Profilometro a stilo di recente acquisizione. Inoltre è in fase di acquisto un microscopio ottico.