LED晶圓之襯底材料比較

在LED晶圓(LED外延片)製程方面,不同的襯底材料,需要不同的磊晶(晶圓生長)技術、晶片加工技術和封裝技術,襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。襯底材料的選擇主要取決於以下9個方面,襯底的選擇要同時滿足全部應該有的好特性。所以,目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工製程的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用於氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用於生產的襯底目前只有二種,即藍寶石Al2O3和碳化矽SiC襯底。

如果我們來看LED襯底材料,好的材料應該有的特性如下:
1、結構特性好,晶圓材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小。
2、介面特性好,有利於晶圓料成核且黏附性強。
3、化學穩定性好,在晶圓生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。
4、熱學性能好,包括導熱性好和熱失配度小。
5、導電性好,能製成上下結構。
6、光學性能好,製作的器件所發出的光被襯底吸收小。
7、機械性能好,器件容易加工,包括減薄、拋光和切割等。
8、價格低廉。
9、大尺寸,一般要求直徑不小於2英吋。

一般說來,LED襯底還有哪些呢?

1、氮化鎵襯底
用於氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料,這樣可以大大提高晶圓膜的晶體品質,降低位元錯密度,提高器件工作壽命,提高發光效率,提高器件工作電流密度。可是,製備氮化鎵體單晶材料非常困難,到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜,然後通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離後的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優點非常明顯,即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度,比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度要明顯低;但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制。

2、 Al2O3襯底
目前用於氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3,其優點是化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、製造技術相對成熟;不足方面雖然很多,但均一一被克服,如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服,導電性能差通過同側P、N電極所克服,機械性能差不易切割通過雷射劃片所克服,很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是,差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

3、SiC襯底
除了Al2O3襯底外,目前用於氮化鎵生長襯底就是SiC,它在市場上的佔有率位居第2,目前還未有第三種襯底用於氮化鎵LED的商業化生產。它有許多突出的優點,如化學穩定性好、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、晶體品質難以達到Al2O3和Si那麼好、機械加工性能比較差。 另外,SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光,不適合用來研發380 nm以下的紫外LED。由於SiC襯底優異的的導電性能和導熱性能,不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件採用倒裝焊技術解決散熱問題,而是採用上下電極結構,可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前國際上能提供商用的高品質的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。

4、Si襯底
在矽襯底上製備發光二極體是本領域中夢寐以求的一件事情,因為一旦技術獲得突破,晶圓生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優點,如晶體品質高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。然而,由於GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配,以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化矽,所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級品質的GaN材料。另外,由於矽襯底對光的吸收嚴重,LED出光效率低。

5、ZnO襯底
之所以ZnO作為GaN晶圓的候選襯底,是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格失配度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續值小,接觸勢壘小)。但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前,ZnO半導體材料尚不能用來製造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料品質達不到器件水準和P型摻雜問題沒有真正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研製成功。今後研發的重點是尋找合適的生長方法。但是,ZnO本身是一種有潛力的發光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV,屬直接帶隙,和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導體材料相比,它在380 nm附近紫光波段發展潛力最大,是高效紫光發光器件、低閾值紫光半導體雷射器的候選材料。ZnO材料的生長非常安全,可以採用沒有任何毒性的水為氧源,用有機金屬鋅為鋅源。

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