LED襯底(di)材料大(da)全(quan)：

LED襯底材料(liao)的概念、作用、種類(lei)及性能比較

概念：

襯(chen)(chen)底又稱基板，也有稱之為支撐(cheng)襯(chen)(chen)底。

作(zuo)用：

襯底主要是外(wai)延層(ceng)生(sheng)長的(de)(de)基板，在(zai)生(sheng)產和(he)制作過程中，起到支(zhi)撐(cheng)和(he)固定的(de)(de)作用。且與(yu)外(wai)延層(ceng)的(de)(de)特性配合要求比(bi)較嚴格，否則(ze)會(hui)影響力到外(wai)延層(ceng)的(de)(de)生(sheng)長或是芯(xin)片的(de)(de)品質。

LED襯底材料的種類

目前市面上GaN基系列(lie)一般有三種材料可作為襯底：藍寶石(Al2O3);硅(gui)(Si);碳(tan)化硅(gui)(SiC)。

除了以上(shang)三種(zhong)常用(yong)的襯底材料(liao)之外，還有GaAs、AlN、ZnO等(deng)材料(liao)也可作為襯底，通常根據設計(ji)的需要選(xuan)擇(ze)使用(yong)。

1、藍寶石襯底

通(tong)常(chang)，GaN基(ji)材料(liao)和器件的外延(yan)層主要生長(chang)在藍(lan)寶石(shi)襯底上。

優(you)點：

藍寶石襯(chen)底(di)的生產技(ji)術成(cheng)熟、器件質(zhi)量較(jiao)好

藍寶石的穩定(ding)性很好(hao)能(neng)夠(gou)運用(yong)在高(gao)溫生(sheng)長過程(cheng)中

藍寶(bao)石(shi)的機械強度(du)高，易于處理和清洗

缺點

晶格失(shi)配和熱應力失(shi)配，導(dao)致外延層中(zhong)產生大量缺(que)陷，同時給后續的器件加工工藝造成(cheng)困難;

藍寶石(shi)是絕緣體，電阻(zu)率大于1011Ω·cm，無(wu)法制(zhi)作垂直結構的器(qi)件;

在外延(yan)層上表(biao)面制(zhi)作n型和(he)p型電極(ji)，造成了(le)有效發光(guang)面積減(jian)少，同時增(zeng)加了(le)器件制(zhi)造中(zhong)的光(guang)刻和(he)刻藝過程(cheng)，使材(cai)料(liao)利用率降低、成本增(zeng)加;

藍寶石的(de)硬度非常(chang)高，僅次于金剛石，需要的(de)對它進行薄(bo)和(he)切割，又增加一筆較大的(de)投資;

藍寶石的導熱性能不是很(hen)好

2、硅襯底

目(mu)前有部分LED芯片采用硅襯底(di)。

硅襯(chen)底的芯片電極(ji)可采用兩種接(jie)觸(chu)方式，分別是(shi)L接(jie)觸(chu)(Lateral-contact , 水平接(jie)觸(chu))和V接(jie)觸(chu)(Vertical-contact，垂直接(jie)觸(chu))，簡稱為L型(xing)(xing)電極(ji)和V型(xing)(xing)電極(ji)。

通過這兩種接(jie)觸方式，LED芯片內部的(de)電流(liu)(liu)可(ke)以(yi)是橫向(xiang)流(liu)(liu)動的(de)，也(ye)可(ke)以(yi)是縱(zong)(zong)向(xiang)流(liu)(liu)動的(de)。由于(yu)電流(liu)(liu)可(ke)以(yi)縱(zong)(zong)向(xiang)流(liu)(liu)動，因此增(zeng)大了(le)LED的(de)發(fa)光(guang)面積，從而提高了(le)LED的(de)出光(guang)效率。

因為硅是熱的(de)良導體，所(suo)以器件的(de)導熱性能可以明(ming)顯改(gai)善，從(cong)而(er)延長(chang)了器件的(de)壽命。

3、碳化硅襯底(di)

SiC是IV-IV族二元(yuan)化合(he)(he)物，也是元(yuan)素(su)周期表IV族元(yuan)素(su)中唯一的穩定固(gu)態化合(he)(he)物，一種重要的半導體材料。

具有優良(liang)的(de)(de)熱學(xue)、力(li)學(xue)、化學(xue)和電學(xue)性質(zhi)，不但是制作(zuo)高溫、高頻、大功率電子(zi)器件(jian)的(de)(de)最(zui)佳材料之一，同時又可(ke)以(yi)用作(zuo)基于GaN的(de)(de)藍色發光二極管的(de)(de)襯底材料。

帶寬隙半(ban)導體材料SiC所制(zhi)功率(lv)器件(jian)可以(yi)(yi)承受更(geng)高電(dian)壓、更(geng)大(da)電(dian)流、耗盡層可以(yi)(yi)做的(de)更(geng)薄(bo)，因而工作(zuo)速(su)度更(geng)快，可使器件(jian)體積更(geng)小、重量更(geng)輕(qing)。

碳(tan)(tan)化硅(gui)襯(chen)底的導熱(re)性能(碳(tan)(tan)化硅(gui)的導熱(re)系數為490W/(m·K))要比藍寶石襯(chen)底高出10倍 以上;

使用碳(tan)化硅襯底的(de)芯片(pian)電極為L型，兩個電極分布在器 件的(de)表面和底部，所產生的(de)熱量可以通過電極直(zhi)接導出;同時這(zhe)種襯底不需要(yao)電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的(de)材料吸(xi)收，這(zhe)樣又(you)提高(gao)了出光效率。

但是相(xiang)對于藍寶石(shi)襯(chen)底而言，碳(tan)化硅制造(zao)成(cheng)本較(jiao)高，實現其商業化還需(xu)要降低相(xiang)應的(de)成(cheng)本。另外(wai)，SiC襯(chen)底吸收(shou)380納米(mi)以下的(de)紫外(wai)光，不(bu)適合用來研發380納米(mi)以下的(de)紫外(wai)LED。

4、氮(dan)化鎵

用于GaN生長(chang)的最理想襯底(di)是GaN單晶材料，可以大大提(ti)高(gao)外延膜(mo)的晶體質量，降低(di)位錯密度，提(ti)高(gao)器件(jian)工(gong)作壽命，提(ti)高(gao)發光效(xiao)率，提(ti)高(gao)器件(jian)工(gong)作電流密度。

但是制備(bei)GaN體(ti)單晶非常困(kun)難，到目前為止(zhi)還未有行之(zhi)有效的辦法。

5、氧化鋅

ZnO之(zhi)所以能(neng)成為(wei)GaN外延的候(hou)選(xuan)襯底(di)，是因(yin)為(wei)兩者具有非(fei)常(chang)驚人的相似之(zhi)處。兩者晶(jing)體(ti)結(jie)構相同、晶(jing)格識別(bie)度非(fei)常(chang)小，禁(jin)帶寬度接(jie)近(能(neng)帶不連續值小，接(jie)觸勢(shi)壘(lei)小)。

但(dan)是(shi)，ZnO作為GaN外(wai)(wai)延襯(chen)底的致(zhi)命弱點是(shi)在(zai)GaN外(wai)(wai)延生長的溫度和氣氛中易分解和腐(fu)蝕。

目(mu)前，ZnO半導體材料(liao)尚不能用來制造光電子器件(jian)或高溫電子器件(jian)，主要是材料(liao)質量達(da)不到器件(jian)水平和P型摻雜問題沒有得(de)到真(zhen)正解(jie)決，適合ZnO基(ji)半導體材料(liao)生(sheng)長的設(she)備尚未(wei)研制成功。

6、襯底的(de)性(xing)能比較

(1)藍寶石(shi)、硅(gui)和碳化(hua)硅(gui)三種襯底的性能(neng)比較

(2)用于氮化鎵(jia)生(sheng)長的襯底材料性能優(you)劣比(bi)較

現在GaN基(ji)(ji)led燈(deng)珠使用的基(ji)(ji)板(ban)材(cai)料比(bi)較多，用于(yu)商品(pin)化的基(ji)(ji)板(ban)有(you)藍寶(bao)石和(he)碳(tan)化硅(gui)基(ji)(ji)板(ban)兩種(zhong)。其他的例如(ru)GaN、Si、ZnO基(ji)(ji)板(ban)還(huan)處(chu)于(yu)研究開(kai)發階段，離(li)(li)產業化還(huan)有(you)距離(li)(li)。

氮化(hua)鎵（GaN）

GaNled燈(deng)珠(zhu)用于生長的(de)(de)最理想的(de)(de)基(ji)板是GaN單(dan)晶體材料(liao)，能(neng)夠大幅(fu)度地推(tui)進外延(yan)膜的(de)(de)結晶質量，位錯(cuo)密度，能(neng)夠降(jiang)低前進元件工作(zuo)壽命、前進發光功率、前進元件工作(zuo)電流密度。但是GaN體制備單(dan)個(ge)晶體非常(chang)困難(nan)，到目前為止沒有有效(xiao)的(de)(de)方法。

藍寶(bao)石Al2O3

GaNled燈珠在生長中最廣泛使用(yong)的基板是Al2O3。其(qi)優(you)點是化學穩(wen)定性好，不吸收可見光，價格適中，制作技術(shu)比較舊。導(dao)熱性差的話(hua)，在元件(jian)(jian)小電流(liu)工作中沒(mei)有(you)明顯的缺陷，但是在功率(lv)型元件(jian)(jian)大(da)電流(liu)工作中問題非常(chang)好。

碳化硅SiC

SiC作為基(ji)板(ban)材料(liao)使用的(de)面積僅次(ci)于藍寶石，現(xian)在沒有用于GaNled燈珠商業化的(de)第三基(ji)板(ban)。

SiC基(ji)板的(de)化學穩定性好(hao)，導電(dian)性好(hao)，導熱性好(hao)，不(bu)吸收(shou)(shou)可見光等缺點也很好(hao)，但(dan)是價(jia)格太高，結晶質量不(bu)好(hao)Al2O3和(he)Si，機械加工(gong)功能差，其他SiC基(ji)板吸收(shou)(shou)380納米以下的(de)紫外(wai)線不(bu)適合開發380納米以下的(de)紫外(wai)線LED。

SiC由于基板的有利(li)導(dao)電性和導(dao)熱性，能夠更(geng)好地處理(li)功率型GaNled燈珠裝置(zhi)的散熱問題，因此在(zai)半導(dao)體(ti)照明技術領(ling)域占據重要(yao)的方向(xiang)

與藍寶石相比，SiC和GaN外(wai)(wai)延膜的晶(jing)格匹配得(de)到改(gai)善。另外(wai)(wai)，SiC具有(you)藍色發光特性，且是(shi)低電阻材料(liao)，能(neng)夠制(zhi)作(zuo)電極，能(neng)夠在(zai)封裝前對(dui)外(wai)(wai)延材料(liao)進行完全檢查(cha)，SiC提高了作(zuo)為(wei)基板材料(liao)的競爭力(li)。

由于(yu)能夠容易(yi)地理(li)解SiC的(de)(de)層(ceng)(ceng)狀(zhuang)結構(gou)，所以能夠在基(ji)板(ban)和外延膜(mo)之間獲得高質量的(de)(de)解理(li)面(mian)，這大大簡化元件的(de)(de)結構(gou)。然而，由于(yu)它(ta)們(men)的(de)(de)層(ceng)(ceng)狀(zhuang)結構(gou)，經常(chang)出現(xian)在襯底表面(mian)上引入許多缺陷的(de)(de)臺階。

氧(yang)化鋅（ZnO

ZnO能(neng)夠成為(wei)(wei)GaNled燈珠(zhu)外(wai)延的(de)(de)候補基板(ban)是因為(wei)(wei)兩者具有令人吃驚的(de)(de)類(lei)似點。兩者的(de)(de)晶體結構(gou)相同，晶格識別度(du)非常小，禁(jin)止帶(dai)寬接近（帶(dai)不連(lian)續值小，接觸屏障小）。然而，ZnO作為(wei)(wei)外(wai)延基板(ban)的(de)(de)GaN創傷缺陷(xian)容易在GaNled燈珠(zhu)外(wai)延生長的(de)(de)溫度(du)和(he)環境(jing)中分解(jie)和(he)腐蝕。

目前，ZnO半(ban)導體材(cai)料(liao)不能用于光(guang)電(dian)子器件和高溫(wen)電(dian)子器件的制(zhi)造，主要沒(mei)有實際處理材(cai)料(liao)質量達不到(dao)設備(bei)水的陡峭的p型摻雜問題，ZnO適(shi)合于基礎半(ban)導體材(cai)料(liao)的生長的設備(bei)開發不成功。