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【摘 要】 襯底材料作為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展的基石,，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心,，具有重要地位。本文對(duì)適合于LED芯片襯底材料的藍(lán)寶石,，硅,，碳化硅，氮化鎵等從材料本身的特性出發(fā),，闡述了各種襯底材料的優(yōu)缺點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),。 中國(guó)論文網(wǎng) http://www./8/view-4716892.htm 【關(guān)鍵詞】 LED照明 藍(lán)寶石襯底 硅襯底 碳化硅襯底 氮化鎵襯底 1 引言 LED照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件,。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,，在半導(dǎo)體中通過(guò)載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅,、黃,、藍(lán)、綠,、青,、橙、紫,、白色的光,。LED照明產(chǎn)品就是利用LED作為光源制造出來(lái)的照明器具。由于LED的壽命長(zhǎng),，安全可靠,，環(huán)保節(jié)能，色彩多樣,，所以自從LED發(fā)明以來(lái),，很快就獲得世人的認(rèn)可。全球都投入了大量的人力,、財(cái)力去研究和開(kāi)發(fā),。 我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,，中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn),、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈,。在“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”的推動(dòng)下,，我國(guó)LED下游產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是上游的LED產(chǎn)業(yè)仍然需要進(jìn)一步的投入，以趕上日本,，美國(guó)和歐洲,。 2 襯底材料的要求 當(dāng)今大部分的芯片是GaN，GaN的生長(zhǎng)方法有很多種,，但是由于尚未解決單晶生產(chǎn)工藝,，目前還是在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)，是依靠有機(jī)金屬氣象沉積法在相關(guān)的異型支撐襯底上生長(zhǎng)的[1],。這樣,，襯底材料的選用就是我們首要考慮的問(wèn)題。要想采用哪種合適的襯底,，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇[2],。目前來(lái)說(shuō)，好的襯底材料應(yīng)該有以下九方面的特性： ?。?）結(jié)構(gòu)特性好,，晶圓材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小,、結(jié)晶性能好,、缺陷密度小。 ?。?）接口特性好,，有利于晶圓料成核且黏附性強(qiáng)。 ?。?）化學(xué)穩(wěn)定性好,，在晶圓生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。 ?。?）熱學(xué)性能好,，要具備良好的導(dǎo)熱性。 ?。?）導(dǎo)電性好,，有利于襯底電極的制備[3]。 ?。?）光學(xué)性能好,，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小。 ?。?）機(jī)械性能好,，器件容易加工，包括減薄,、拋光和切割等,。 ?。?）價(jià)格低廉。 ?。?）大尺寸,，一般要求直徑不小于2英寸。 表1中列舉了常見(jiàn)的襯底材料的結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)[4],。 3 襯底材料種類 目前一般采用諸如在藍(lán)寶石、SiC,、Si,、GaAs或其它襯底材料上生長(zhǎng)GaN[5]。 3.1 藍(lán)寶石襯底材料 目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是藍(lán)寶石,。 藍(lán)寶石的組成為氧化鋁（Al2O3）,，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu),。它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,，C-Plane及R-Plane。由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬,，從近紫外光（190nm）到中紅外線都具有很好的透光性,。因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置,、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上,，它具有高聲速、耐高溫,、抗腐蝕,、高硬度、高透光性,、熔點(diǎn)高（2045℃）等特點(diǎn),，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來(lái)作為光電元件的材料,。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶（GaN）的材料品質(zhì),，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石（單晶Al2O3）C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小,，同時(shí)符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求,，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料。 3.1.1 藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法 柴氏拉晶法（Czochralski method）,，簡(jiǎn)稱CZ法,。先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面,，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過(guò)冷,。于是熔湯開(kāi)始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶,。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),，隨著晶種的向上拉升,，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱的單晶晶錠,。 凱氏長(zhǎng)晶法（Kyropoulos method）,，簡(jiǎn)稱KY法，國(guó)內(nèi)稱之為泡生法,。其原理與柴氏拉晶法（Czochralski method）類似,，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種（SeedCrystal,，又稱籽晶棒）接觸到熔湯表面,，在晶種與熔湯的固液界面上開(kāi)始生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升,，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸,，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升,，也沒(méi)有作旋轉(zhuǎn),，僅以控制冷卻速率方式來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇,。 3.1.2 藍(lán)寶石的優(yōu)缺點(diǎn) 藍(lán)寶石的優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)技術(shù)成熟,、器件質(zhì)量較好；（2）穩(wěn)定性很好,，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中,；（3）機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗,。 藍(lán)寶石的不足：（1）晶格失配和熱應(yīng)力失配,，會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷；（2）藍(lán)寶石是一種絕緣體,，在上表面制作兩個(gè)電極,，造成了有效發(fā)光面積減少；（3）增加了光刻,、蝕刻工藝過(guò)程,，制作成本高。 3.2 碳化硅襯底材料 碳化硅襯底（美國(guó)CREE公司專門(mén)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(dòng)的。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都非常好,，有利于做成面積較大的大功率器件,。 碳化硅的優(yōu)點(diǎn)：碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/m·K,，要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。 碳化硅的不足：碳化硅制造成本較高,，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本,。 3.3 硅襯底材料 相對(duì)藍(lán)寶石和SiC而言，Si材料具有低成本,、大面積,、高質(zhì)量、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能等優(yōu)點(diǎn),，且硅工藝技術(shù)相對(duì)成熟,，Si襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。而且,，S襯底非常便宜,，制備工藝很成熟,，可以大面積獲得,；并且，采用這些襯底來(lái)生長(zhǎng)GaN材料,，有望將來(lái)GaN光電器件與成熟的Si和GaAs電子器件集成在一起,。但是，由于Si襯底與GaN外延層之間巨大的晶格失配和熱失配,，這使Si襯底上的GaN材料產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和裂紋,，這為Si襯底上GaN的生長(zhǎng)和研究設(shè)置了障礙。 硅襯底的優(yōu)點(diǎn)：硅是熱的良導(dǎo)體,，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善,，從而延長(zhǎng)了器件的壽命。硅襯底垂直芯片采用銀作為P電極,，相比藍(lán)寶石芯片采用ITO做P電極,，導(dǎo)電性能提高了10倍以上，具有良好的電流擴(kuò)散特性,，具備低電壓,、高光效的特點(diǎn)，可以在大電流下工作,。硅的導(dǎo)熱系數(shù)是藍(lán)寶石的5倍,，良好的散熱性使硅襯底LED具有高性能和長(zhǎng)壽命。同時(shí),，硅襯底可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損剝離,，消除了襯底和氮化鎵材料層的應(yīng)力，硅襯底芯片具有N面朝上,、單面出光無(wú)側(cè)光,、發(fā)光形貌為朗伯分布以及容易匹配二次光學(xué)的特點(diǎn),，更適合指向性照明。硅襯底大功率LED芯片非常適合陶瓷共晶封裝,。 硅襯底的不足：陶瓷共晶封裝在行業(yè)內(nèi)是高端的封裝技術(shù),，要求高，難點(diǎn)多,。 3.4 其他襯底材料 3.4.1 氮化鎵襯底 用于GaN生長(zhǎng)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(cuò)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。 3.4.2 氧化鋅襯底 由于氧化鋅與GaN性能相近,，ZnO在a軸方向與GaN的失配度是1.9%,，在c軸方向與GaN的失配度是0.4%。與藍(lán)寶石相比,，ZnO失配度小,，匹配較好。除此之外,，ZnO還具有易于制備,、容易被醋酸腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。在有些應(yīng)用中,，通過(guò)對(duì)ZnO選擇性腐蝕,，能夠?qū)崿F(xiàn)GaN層與襯底相分離[4]。同時(shí)由于氧化鋅本身也是重要的電致發(fā)光材料,，相比其他材料能進(jìn)行同質(zhì)外延,，其發(fā)展優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。 3.4.3 鋁酸鋰襯底 LiAlO2是一種最具發(fā)展前景的襯底材料,，正方晶系γ-LiAlO2與氮化鎵的結(jié)構(gòu)比較接近,。 因?yàn)棣?LiAlO2擁有低的熱膨脹系數(shù)，所以在外延薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程中不需要緩沖層消除應(yīng)力來(lái)降低差排密度,，而在襯底材料的制備上,，比較LiAlO2的（100）面與（001）面，會(huì)發(fā)現(xiàn)（001）面在拋光的過(guò)程中容易產(chǎn)生很多的縫隙與刮痕,，其主要的原因是因?yàn)棣?LiAlO2在（100）面結(jié)構(gòu)非常接近GaN的（001）面結(jié)構(gòu),。 又因?yàn)椋?00）面比較容易研磨、拋光,，而且γ-LiAlO2會(huì)被水慢慢的腐蝕,，所以在拋光的過(guò)程中可以利用水作為拋光液[5],，因此可以降低襯底的植被成本，Hellman等人[6]已經(jīng)成功地在LiAlO2襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜,。因此在未來(lái)的應(yīng)用上鋁酸鋰最具發(fā)展空間,。 4 結(jié)語(yǔ) 襯底材料作為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展的基石，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心,，具有重要地位,。其中藍(lán)寶石、碳化硅是目前應(yīng)用較多的襯底材料,。而未來(lái)的襯底材料目前由于成本或設(shè)備原因未能大規(guī)模生產(chǎn),，在未來(lái)具有巨大的發(fā)展空間。 參考文獻(xiàn)： 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[2] http：//wiki.dzsc.com/info/6589.html. [3]王如剛,， 陳振強(qiáng)，胡國(guó)永等.幾種LED襯底材料的特征對(duì)比與研究現(xiàn)狀[J].科學(xué)技術(shù)與工程,，2006,，Vol.6（No.2）. [4]張克華，文東輝,，袁巨龍,，高亮度LED襯底材料研究[J] 功能材料2009.5（40）： 709-716 . [5]莫春蘭.硅襯底GaN基藍(lán)光LED材料生長(zhǎng)及器件研制[D].南昌大學(xué),，2006. [6]Hellman ES,，Liliental-Weber Z，Buchanan DNE.Jnitride Semic Res,，1997,，2：30. |
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