- 藍寶石襯底
簡介
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。市面上一般有三種材料可作為襯底:
藍寶石
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(shù)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。
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。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400μm減到100μm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。
碳化硅
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。
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。
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。
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。
材料評價
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(jié)構(gòu)相同、晶格識別度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小,接觸勢壘?。?。但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。ZnO半導體材料尚不能用來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型摻雜問題沒有得到真正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。
藍寶石
用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好,不吸收可見光、價格適中、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有暴露明顯不足,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。
碳化硅
SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石,還沒有第三種襯底用于GaNLED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等,但不足方面也很突出,如價格太高,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。此外,SiC具有藍色發(fā)光特性,而且為低阻材料,可以制作
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