[精品]LED外延片-衬底材料.doc

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1、LED外延片——衬底材料衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：[1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；[3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛屮不容易分解和腐蚀；[4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；[5]导电性好，能制成上下结构；[6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收

2、小；[7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；[8]价格低廉；[9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。衬底的选择要同时满足以上九个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。不同LED外延片与其衬底材料介绍红黄光LED红光LED以GaP（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGalnP（四元系）为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石A12O3和硅衬底。1、GaAs衬底：在使用LPE生长红光LED时，…般使用AlGaAs外延层

3、，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。2、GaP衬底：在使用LPE生长红黄光LED时，…般使用GaP外延层，波长范围较宽565-700nm;使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm之间湎使用MOCVD时，—般生长AlInGaP外延结构,这个结构很好的解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是

4、晶格失配,需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGalnP结构。另外,GaP基的III-N-V材料系统也引起广泛的兴趣，这种材料结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5%氮的情况下，带隙的变化从间接到肓接，并在红光区域具有很强的发光效应(650nm)o采用这样的结构制造LED,可以由GaNP晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和晶片键合透明衬底的复杂工艺。蓝绿光LED用于氮化稼研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石A12O3和碳化硅SiC衬底。1＞氮化谏衬底：用于氮化傢生长的

5、最理想的衬底H然是氮化稼单晶材料，这样可以大犬提高外延片膜的晶体品质，降低位元错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化傢体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行Z有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他衬底(如AI2O3、SiC、LGO)上生长氮化傢厚膜，然示通过剥离技术实现衬底和氮化镣厚膜的分离，分离品的氮化傢厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化傢厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化稼薄膜的位元错密度，比在A12O3、SiC±外延的氮化镣薄膜的位元错密度要明显低;但价格昂贵。因而氮化傢厚膜

6、作为半导体照明的衬底之用受到限制。2、蓝宝石AI2O3衬底：目前用于氮化稼生长的最普遍的衬底是A12O3,其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适屮、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能并不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。3、SiC衬底：除了AI2O3衬底外，目前用于氮化傢生长衬底就是SiC,它在市场上的

7、占有率位居第2,目前还未有第三种衬底用于氮化稼LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方血也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到AI2O3和Si那麽好、机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，不适合用来研发380nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像A12O3衬底上功率型氮化稼LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化傢LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高品质的S

8、iC衬底的厂家只有美国CREE公司。4、Si衬底：在硅衬底上制备发光二极体是木领域中梦寐以求的一件事情，因为一H技术获得突破，外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，