蓝宝石硅碳化硅衬底材料比较

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1、•蓝宝石（AI2O3），硅（Si），碳化硅（SiC）LED衬底材料的选用比较.通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。n型电极p型电极发光面n型电极

2、N接触低溢GaN外延足蓝宝石基板

3、同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%〜40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和

4、切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。蓝宝石的导热性能不是很好（在100°C约为25W/（nvK））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。硅衬底目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact，水平接触）和V接触（Vertical-contact,垂直接触），以下简称为L型电

5、极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。碳化硅衬底碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。p*Al(}rM^A4i>

6、>NnAKi»o”M(M队0j5uw0,05um银胶MM敗热作较力Ve极n-GaNXSi)V也极LED芯PA^^r<[url=/upload/zhishi/200803/20080329082643z5.jpg]图2采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片[/url]碳化硅衬底的导热性能(碳化硅的导热系数为490W/(m-K))要比蓝宝石衬底高出10倍以上。蓝宝石本身是热

7、的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。三种衬底的性能比较前面的内容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见表1。村底材料导热系数(W/(m•K))择脒系数(X10

8、E-6)稳定性墀热性成本ESD'®宝石(AI2O,)461.9一般£中費一般K(Si>1505-20良好低好

9、突化®(SiC)490-1.4良好A好屯SD—抗静电能力除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AIN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。衬底材料的评价1.衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；2.衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上