藍寶石、硅、碳化硅襯底材料比較

1、 藍寶石（Al2O3）,硅 (Si),碳化硅（SiC）LED襯底材料的選用比較 通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優(yōu)點：首先，藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖1示例了使用藍寶石襯底做成的LED芯片。url=/upload/zhishi/12104.jpg圖1藍寶石作為襯底的LED芯片/url 使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。

2、藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011cm，在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件；通常只在外延層上表面制作n型和p型電極（如圖1所示）。在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結(jié)果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難，當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發(fā)光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%40%的光，同時GaN基材料的化學(xué)性能穩(wěn)定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設(shè)備，這將會增加生產(chǎn)成本。 藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED

3、器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。 藍寶石的導(dǎo)熱性能不是很好（在100約為25W/（mK）。因此在使用LED器件時，會傳導(dǎo)出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。 硅襯底 目前有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact ,水平接觸）和 V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V

4、型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。 碳化硅襯底 碳化硅襯底（美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。url=/upload/zhishi/643z5.jpg圖2采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片/url碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能

5、（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(mK)）要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。三種襯底的性能比較 前面的內(nèi)容介紹的就是制作LED芯片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等

6、材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計的需要選擇使用。襯底材料的評價1襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低；2襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞；3襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降；4材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸

7、。當前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。氮化鎵：用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。氧化鋅：ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘?。５?，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生

8、長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。藍寶石：用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟。導(dǎo)熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。碳化硅：SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前還沒有第三種襯底用于GaNLED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC襯底有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，

9、晶體質(zhì)量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。由于SiC襯底有益的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，可以較好地解決功率型GaNLED器件的散熱問題，故在半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有藍色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作在LED外延片(LED外延片)工藝方面，不同的襯底材料，需要不同的磊晶（外延片生長）技術(shù)、芯片加工技術(shù)和封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下9個方面，襯底的選擇要同時滿足全部應(yīng)該有的

10、好特性。所以，目前只能通過外延生長技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。如果我們來看LED襯底材料，好的材料應(yīng)該有的特性如下：1、結(jié)構(gòu)特性好，外延片材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小。2、介面特性好，有利于外延片料成核且黏附性強。3、化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延片生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。4、熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小。5、導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu)。6、光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小。7、機

11、械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。8、價格低廉。9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。一般說來，LED襯底還有哪些呢？1、氮化鎵襯底用于氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延片膜的晶體品質(zhì)，降低位元錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度?？墒?，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜

12、的位元錯密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度要明顯低；但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。2、 Al2O3襯底目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過雷射劃片所克服，很大的熱失配對外延層形成壓應(yīng)力因而不會龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。3、SiC襯底除了Al2O3襯底外，目前用于氮化

13、鎵生長襯底就是SiC，它在市場上的佔有率位居第2，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體品質(zhì)難以達到Al2O3和Si那麼好、機械加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前國際上能提供商用的高品質(zhì)的SiC襯底的廠家只有美

14、國CREE公司。4、Si襯底在硅襯底上制備發(fā)光二極體是本領(lǐng)域中夢寐以求的一件事情，因為一旦技術(shù)獲得突破，外延片生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點，如晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級品質(zhì)的GaN材料。另外，由于硅襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。 5、ZnO襯底之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底，是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘?。５?，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器