藍寶石襯底

簡介

　　對于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進行選擇。市面上一般有三種材料可作為襯底：

　　藍寶石（Al2O3）、硅（Si）、碳化硅（SiC）

藍寶石

　　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。

　　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。藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011Ω·cm，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。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(dāng)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器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400μm減到100μm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/（m·K））。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。

碳化硅

　　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。

　　碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(m·K)）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。

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。

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。

　　除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計的需要選擇使用。

材料評價

　　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。

　　當(dāng)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?。?。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。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，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，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