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超迈光电:蓝宝石、硅和碳化硅三种LED衬底的选用比较

时间:2019-12-27 14:20:49   点击:427


 1、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。



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。

2、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。

3、 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。



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
    
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

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。
 
a. 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。
 
b.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。
 
c.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。
 
d.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。
 
碳化硅与蓝宝石相比,在结构上,蓝宝石不是半导体而是绝缘体,它只能做单面电极;碳化硅是导电的半导体,它可以做垂直结构。碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高10倍以上;蓝宝石本身是热的不良导体,并且在制造器件时底部需要使用银胶固晶,银胶的传热性能也很差。而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。
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·蓝宝石(Al2O3):超迈光电创始团队从事多年蓝宝石产品研发、技术管理和生产,主导了国内第三代空空导弹红外窗口的研制,超迈光电也具有国内首项“人工晶体材料碗型整流罩专用加工设备”的国家发明专利,公司在蓝宝石生长、加工和应用上具有较深的技术沉积。
·硅 (Si):超迈光电公司很荣幸的参与了“多晶硅铸锭炉”国家标准的研发,并做了卓有成效的工作,此国家标准预计2018年发布。
·碳化硅(SiC)[/url]:对部分核心部件均进行了专利布局,配套了多家碳化硅PVT炉的真空部件。