超迈光电: 蓝宝石、硅和碳化硅三种LED衬底选择对比

1，蓝宝石衬底
通常，GaN基材料和器件主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有很多优点: 首先，蓝宝石衬底生产技术成熟，器件质量较好; 其次，蓝宝石的稳定性非常好，可以在高温生长过程中使用; 最后，蓝宝石的机械强度大，易于处理和清洗。因此，大多数工艺通常使用蓝宝石作为衬底。图1示出了使用蓝宝石衬底制造的LED芯片。



使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，给后续的器件加工带来困难。蓝宝石是一种电阻率较大的绝缘体为1011 Ω · cm，在这种情况下，不可能制造垂直结构的器件; n型和p型电极通常仅在外延层的上表面上制造 (如图1所示)。在上表面制作两个电极减少了有效发光面积，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺，导致材料利用率降低，成本增加。由于掺杂p型GaN的困难，通常采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法来扩散电流以达到均匀发光的目的。然而，金属透明电极通常吸收约30% 至40% 的光，并且GaN基材料具有稳定的化学性质和高的机械强度，并且不容易被蚀刻。因此，在蚀刻过程中需要更好的设备，这将增加生产成本。

蓝宝石的硬度很高，但其硬度在天然材料中仅次于钻石，但在LED器件需要减薄和切割 (从400nm到约100nm)。增加设备来完成减薄和切割过程也增加了较大的投资。

蓝宝石的导热性不是很好 (在100 °C为约25w/(m. K))。因此，在使用LED器件时，会传递大量热量; 特别是对于大面积大功率器件，导热性是一个非常重要的考虑因素。为了克服上述困难，已经进行了许多尝试来直接在硅衬底上生长GaN光电子器件，从而改善导热性和导电性。

2，硅衬底

目前有一些LED芯片使用硅衬底。硅衬底的芯片电极可以以两种方式接触，即L接触 (横向接触，水平接触) 和V接触 (垂直接触，垂直接触)，以下称为L型电极和v型电极。通过这两种接触模式，LED芯片内部的电流可以横向或垂直流动。由于电流可以纵向流动，因此增加了LED的发光面积，从而提高了LED的光提取效率。由于硅是热的良导体，因此可以显着提高器件的热导率，从而延长了器件的寿命。

3.碳化硅衬底

碳化硅衬底 (美国CREE公司使用SiC材料作为衬底) 是l形电极，电流垂直流动。用这种衬底制成的器件的导电性和导热性都很好，有利于制作大面积的大功率器件。图i中示出了采用碳化硅衬底的LED芯片。2.



碳化硅衬底的热导率 (碳化硅的热导率为490W/(m · K)) 比蓝宝石衬底高10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，器件底部需要用银胶固定，传热性能也较差。采用碳化硅衬底的芯片电极呈L型，两个电极分布在器件表面和底部，产生的热量可以通过电极直接引出; 同时，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，从而提高了光提取效率。但是，与蓝宝石衬底相比，碳化硅的制造成本更高，碳化硅的商业化需要降低相应的成本。

子串

是生产LED芯片。这三种基材的综合性能比较见表1。



除上述三种常用的基材材料外，还有材料也可以用作衬底，通常根据设计的需要进行选择和使用。

基板材料

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似，晶格常数失配小，结晶性能好，缺陷密度低；

2。衬底与外延膜之间的热膨胀系数的匹配: 热膨胀系数的匹配非常重要。外延膜的热膨胀系数与衬底材料之间的较大差异不仅可能降低外延膜的质量，而且在器件工作过程中由于热量而导致器件损坏；

3.衬底与外延膜的化学稳定性相匹配: 衬底材料应具有良好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因与外延膜发生化学反应而降低外延膜的质量；

4.材料制备的难度和成本: 考虑到工业发展的需要，基板材料的制备要求简单，成本不应该很高。衬底尺寸通常不小于2英寸。

目前使用有许多用于GaN基led的衬底材料，但只有两种衬底可用于商业化，即蓝宝石和碳化硅衬底。其他衬底如GaN、Si、ZnO仍处于研发阶段，离产业化还有一段距离。

a.氮化镓:

GaN生长最理想的衬底是GaN单晶材料，它可以大大提高外延薄膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件的工作寿命，提高发光效率，提高器件的工作电流密度。但是，GaN块状单晶的制备非常艰苦，至今还没有有效的办法。

B.氧化锌:

ZnO能够作为GaN外延的候选衬底是二者有着非常惊人的相似性。两者的晶体结构相同，晶格识别很小，带隙接近 (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容易分解和腐蚀。目前，ZnO半导体材料不能用于制造光电子器件或高温电子器件，主要是因为材料的质量不能达到器件水平，P型掺杂的问题还没有真正解决，而适用于ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

c.蓝宝石:

生长的GaN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。尽管不良的导热性在器件的小电流运行中没有暴露出明显的缺陷，但在功率器件的大电流运行中该问题非常突出。

d.碳化硅:

SiC作为衬底材料仅次于蓝宝石，并且没有第三种衬底用于GaN led的商业生产。SiC衬底具有化学稳定性好、导电性好、导热性好、不吸收可见光等优点，但缺点也很突出，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衬底吸收低于380纳米的紫外光，不适于研发低于380纳米的紫外LED。由于SiC衬底有利的导电性和导热性，可以较好地解决功率GaN LED器件的散热问题，因此在半导体照明技术领域占有重要地位。

碳化硅在结构上不是半导体而是绝缘体，只能用作单面电极; 碳化硅是导电半导体，可以用作垂直结构。碳化硅衬底的热导率高于蓝宝石是10倍以上; 蓝宝石本身是热的不良导体，器件底部需要用银胶固定，银胶的传热性能也很差。采用碳化硅衬底的芯片电极呈L型，两个电极分布在器件表面和底部，产生的热量可以通过电极直接引出; 同时，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，从而提高了光提取效率。
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蓝宝石 (Al2O3): 超迈光电创始团队多年来一直从事蓝宝石产品的研发、技术管理和生产，并主导了中国第三代空空导弹红外窗的研发。超迈光电还拥有国内第一项 “人造晶体材料碗形整流罩专用加工设备” 国家发明专利。公司在蓝宝石生长、加工和应用方面拥有深厚的技术沉积。
硅 (Si): 超迈光电公司很荣幸参与了《多晶硅铸锭炉》国家标准的研发工作，并做了卓有成效的工作。该国家标准预计将在2018年发布。
碳化硅 (SiC)[/url]: 一些核心部件是专利布局，支持多个碳化硅PVT炉真空组件。