三種LED襯底材料的比較

圖1藍寶石作為襯底的LED芯片[/url]

使用藍寶石作為襯底也存在一些問(wèn)題，例如晶格失配和熱應力失配，這會(huì )在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續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(wú)法制作垂直結構的器件；通常只在外延層上表面制作n型和p型電極（如圖1所示）。在上表面制作兩個(gè)電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時(shí)增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過(guò)程，結果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難，當前普遍采用在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(shí)GaN基材料的化學(xué)性能穩定、機械強度較高，不容易對其進(jìn)行刻蝕，因此在刻蝕過(guò)程中需要較好的設備，這將會(huì )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(guò)程中卻需要對它進(jìn)行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。

藍寶石的導熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m·K））。因此在使用LED器件時(shí)，會(huì )傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個(gè)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(cháng)在硅襯底上，從而改善導熱和導電性能。

　　 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(jiǎn)稱(chēng)為L(cháng)型電極和V型電極。通過(guò)這兩種接觸方式，LED芯片內部的電流可以是橫向流動(dòng)的，也可以是縱向流動(dòng)的。由于電流可以縱向流動(dòng)，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長(cháng)了器件的壽命。

　　 碳化硅襯底

碳化硅襯底（美國的CREE公司專(zhuān)門(mén)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(dòng)的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。

圖2采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片[/url]

碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數為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體，并且在制作器件時(shí)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(cháng)型，兩個(gè)電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)電極直接導出；同時(shí)這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會(huì )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(shí)現其商業(yè)化還需要降低相應的成本。

　　三種襯底的性能比較

前面的內容介紹的就是制作LED芯片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見(jiàn)表1。

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，通常根據設計的需要選擇使用。

襯底材料的評價(jià)

　　1．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、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低；
　　2．襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配：熱膨脹系數的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數上相差過(guò)大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì )在器件工作過(guò)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)穩定性匹配：襯底材料要有好的化學(xué)穩定性，在外延生長(cháng)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(jiǎn)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(chǎn)業(yè)化還有一段距離。
　　氮化鎵：
　　用于GaN生長(cháng)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。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續值小，接觸勢壘?。?。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點(diǎn)是在GaN外延生長(cháng)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(lái)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(wèn)題沒(méi)有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長(cháng)的設備尚未研制成功。
　　藍寶石：
　　用于GaN生長(cháng)最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩定性好，不吸收可見(jiàn)光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒(méi)有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問(wèn)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(méi)有第三種襯底用于GaNLED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC襯底有化學(xué)穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見(jiàn)光等，但不足方面也很突出，如價(jià)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(lái)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GaNLED器件的散熱問(wèn)題，故在半導體照明技術(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。