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LED外延的衬底材料有哪些



衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料,需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术,衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面: 

• [1]结构特性好,外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小; 

• [2]界面特性好,有利于外延材料成核且黏附性强; 

• [3]化学稳定性好,在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀; 

• [4]热学性能好,包括导热性好和热失配度小; 

• [5]导电性好,能制成上下结构; 

• [6]光学性能好,制作的器件所发出的光被衬底吸取小; 

• [7]机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等; 

• [8]价格低廉; 

• [9]大尺寸,一般要求直径不小于2英寸

  衬底的选择要同时满足以上九个方面是非常困难的。所以,目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。用于氮化镓研究的衬底材料比较多,但是能用于生产的衬底目前只有二种,即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。表2-4对五种用于氮化镓生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。

  评价衬底材料必须综合考虑下列因素:

1.衬底与外延膜的结构匹配:外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低; 

2.衬底与外延膜的热膨胀系数匹配:热膨胀系数的匹配非常重要,外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降,还会在器件工作过程中,由于发热而造成器件的损坏; 

3.衬底与外延膜的化学稳定性匹配:衬底材料要有好的化学稳定性,在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀,不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降; 

4.材料制备的难易程度及成本的高低:考虑到产业化发展的需要,衬底材料的制备要求简洁,成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。

  当前用于GaN基LED的衬底材料比较多,但是能用于商品化的衬底目前只有两种,即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段,离产业化还有一段距离。

氮化镓

  用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料,可大大提高外延膜的晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命,提高发光效率,提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难,到目前为止还未有行之有效的办法。

氧化锌

  ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底,是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小,接触势垒小)。但是,ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前,ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决,适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

蓝宝石

  用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3。其优点是化学稳定性好,不吸取可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足,却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

碳化硅

  SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石,目前还没有第三种衬底用于GaN LED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸取可见光等,但不足方面也很突出,如价格太高,晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差,另外,SiC衬底吸取380纳米以下的紫外光,不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能,可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题,故在半导体照明技术领域占重要地位。

  同蓝宝石相比,SiC与GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外,SiC具有蓝色发光特性,而且为低阻材料,可以制作电极,使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能,增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理,衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面,这将大大简化器件的结构;但是同时由于其层状结构,在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

  实现发光效率的目标要寄希翼于GaN衬底的LED,实现低成本,也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现,以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实,其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破,其产业化进程将会取得长足发展。
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