蓝宝石（Al2O3）,硅 (Si),碳化硅（SiC）LED衬底材料的选用比较.docx

蓝宝石（蓝宝石（Al2O3））,硅硅 (Si),碳化硅（碳化硅（SiC））LED 衬底材料的选用比较衬底材料的选用比较对于制作 LED 芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和 LED 器件的要求进行选择目前市面上一般有三种材料可作为衬底： 蓝宝石（Al2O3）硅 (Si)碳化硅（SiC）蓝宝石衬底通常，GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底图 1 示例了使用蓝宝石衬底做成的 LED 芯片图 1 蓝宝石作为衬底的 LED 芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于 1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作 n 型和 p 型电极（如图 1 所示）在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。

由于P 型 GaN 掺杂困难，当前普遍采用在 p 型 GaN 上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的但是金属透明电极一般要吸收约 30%~40%的光，同时 GaN 基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在 LED 器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从 400nm 减到 100nm 左右）添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资蓝宝石的导热性能不是很好（在 100℃约为 25W/（m·K））因此在使用 LED 器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素为了克服以上困难，很多人试图将 GaN 光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能硅衬底目前有部分 LED 芯片采用硅衬底硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是 L接触（Laterial-contact ,水平接触）和 V 接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为 L 型电极和 V 型电极通过这两种接触方式，LED 芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。

由于电流可以纵向流动，因此增大了 LED 的发光面积，从而提高了LED 的出光效率因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命碳化硅衬底碳化硅衬底（美国的 CREE 公司专门采用 SiC 材料作为衬底）的 LED 芯片电极是 L型电极，电流是纵向流动的采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件采用碳化硅衬底的 LED 芯片如图 2 所示图 2 采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的 LED 芯片碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为 490W/(m·K)）要比蓝宝石衬底高出 10倍以上蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差使用碳化硅衬底的芯片电极为 L 型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本三种衬底的性能比较三种衬底的性能比较前面的内容介绍的就是制作 LED 芯片常用的三种衬底材料这三种衬底材料的综合性能比较可参见表 1。

除了以上三种常用的衬底材料之外，还有 GaAS、AlN、ZnO 等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用衬底材料的评价衬底材料的评价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，外延材料鱼衬底的晶体结构相同货相近、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收小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 英吋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。

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；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，可以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，不吸收可见光、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GaNLED 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、不吸收可见光等，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 衬底吸收 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GaNLED 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望于 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。