LED芯片常用襯底材料選用比較

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

1. 藍寶石（Al2O3）

2. 硅 （Si）

3. 碳化硅（SiC）

藍寶石襯底

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。圖1示例了使用藍寶 石襯底做成的LED芯片。

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（如圖1所示）。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 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，會傳導出大量的熱量；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。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改 善，從而延長了器件的壽命。

碳化硅襯底

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。

碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(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 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(jù)設計的需要選擇使用。

襯底材料的價

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穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學穩(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。

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