LED外延片襯底材料小常識

襯底材料是半導體照明產業(yè)技術發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發(fā)展路線。

襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：

　　結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結晶性能好、缺陷密度小
　　界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強

　　化學穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕

　　熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小

　　導電性好，能制成上下結構

　　光學性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小

　　機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等

　　價格低廉

　　大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋

襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發(fā)光器件的研發(fā)和生產。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優(yōu)劣進行了定性比較。

評價襯底材料必須綜合考慮下列因素：

襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結晶性能好、缺陷密度低；

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；

襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學穩(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反應使外延膜質量下降；

材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產業(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。

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，可大大提高外延膜的晶體質量，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。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘小）。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導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基半導體材料生長的設備尚未研制成功。

藍寶石：

用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟。導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作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前還沒有第三種襯底用于GaN LED的商業(yè)化生產。SiC襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質量難以達到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襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaN LED器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域占重要地位。

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，可以制作電極，使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，增強了SiC作為襯底材料的競爭力。由于SiC的層狀結構易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質量的解理面，這將大大簡化器件的結構；但是同時由于其層狀結構，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現(xiàn)。

實現(xiàn)發(fā)光效率的目標要寄希望于GaN襯底的LED，實現(xiàn)低成本，也要通過GaN襯底導致高效、大面積、單燈大功率的實現(xiàn)，以及帶動的工藝技術的簡化和成品率的大大提高。半導體照明一旦成為現(xiàn)實，其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產業(yè)化進程將會取得長足發(fā)展。