LED芯片常用襯底材料選用比較

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-05-04

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 對(duì)于制作LED芯片來(lái)說(shuō),，商業(yè)照明，襯底材料的選用是首要考慮的問(wèn)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(jìn)行選擇。目前市面上一般有三種材料可作為襯底：
1. 藍(lán)寶石(Al2O3)
2. 硅 (Si)
3. 碳化硅(SiC)

藍(lán)寶石襯底
通常,，GaN基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上,。藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點(diǎn)：首先，藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟,、器件質(zhì)量較好;其次,，企業(yè)資訊，藍(lán) 寶石的穩(wěn)定性很好,，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中;最后,，藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，國(guó)際資訊,，易于處理和清洗,。因此,，大多數(shù)工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底,。圖1示例了使用藍(lán)寶 石襯底做成的LED芯片。

使用藍(lán)寶石作為襯底也存在一些問(wèn)題,，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配,，這會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難,。藍(lán)寶石是一種 絕緣體,，戶外照明，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(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(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,，酒店led照明,，家用照明，同時(shí)增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過(guò)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,，恒光電器,，使電流擴(kuò)散，以達(dá)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(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度較高,，不容易對(duì)其進(jìn)行刻蝕,，因此在刻蝕過(guò)程中需要較好的設(shè)備，ROSH認(rèn)證,，這將會(huì)增加生產(chǎn)成本,。

藍(lán)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(duì)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(shè)備又要增加一筆較大的投資。

藍(lán)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(shí),，會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量;特別是對(duì)面積較大的大功率器 件，導(dǎo)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(zhǎng)在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)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 ,，店鋪照明,，水平接觸)和 V接觸(Vertical-contact， led商業(yè)照明,，垂直接觸),，以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)型電極和V型電極。通過(guò)這兩種接觸方式,，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動(dòng)的,，室外照明，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?yàn)楣枋菬岬牧紝?dǎo)體,，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改 善,，工程照明，從而延長(zhǎng)了器件的壽命,。

碳化硅襯底
碳化硅襯底(美國(guó)的cree公司專門(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(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(lán)寶石襯底高出10倍以上。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體,，LED燈管,，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(zhǎng)型,，兩個(gè)電極分布在器件的表面和底部，ROSH認(rèn)證,，所產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)電極直接導(dǎo) 出;同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層,，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率,。但是相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言,，碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商 業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本,。

三種襯底的性能比較
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,。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,，戶外照明,，通常根據(jù)設(shè)計(jì)的需要選擇使用,。
襯底材料的價(jià)

      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(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(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(zhǎng)的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕,，不能因?yàn)榕c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(jiǎn)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目前只有兩種,，即藍(lán)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,。