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LED襯底

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2014-03-14  瀏覽次數(shù):923
核心提示:LED襯底是LED產(chǎn)品的重要組成部分,不同的襯底材料,需要不同的磊晶(晶圓生長)技術(shù)、 芯片加工技術(shù)和封裝技術(shù),最常見的為氮化物襯底材料等。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(yīng)該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。
  LED襯底是LED產(chǎn)品的重要組成部分,不同的襯底材料,需要不同的磊晶(晶圓生長)技術(shù)、 芯片加工技術(shù)和封裝技術(shù),最常見的為氮化物襯底材料等。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(yīng)該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。 目錄LED襯底材料的要求常見的LED襯底評價LED襯底時考慮的因素LED襯底材料的選擇LED襯底材料的要求  LED燈襯底材料的選擇主要取決于以下9個方面,襯底的選擇要同時滿足全部應(yīng)該有的好特性。所以,目前只能通過外延生長技術(shù)的變更和器件加工制程的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種,即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。
  如果我們來看LED襯底材料,好的材料應(yīng)該有的特性如下:
  1、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。
  2、接口特性好,有利于晶圓料成核且黏附性強(qiáng)。
  3、化學(xué)穩(wěn)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(xué)性能好,包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小。
  5、導(dǎo)電性好,能制成上下結(jié)構(gòu)。
  6、光學(xué)性能好,制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小。
  7、機(jī)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,一般要求直徑不小于2英寸。
常見的LED襯底  1、氮化鎵襯底
  用于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?墒,制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方法在其它襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜,然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離后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(yōu)點非常明顯,即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯密度,比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低;但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。
  2、 Al2O3襯底
  目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3,其優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)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(shù)所克服,導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服,機(jī)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(yīng)力因而不會龜裂。但是,差的導(dǎo)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,目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC,它在市場上的占有率位居第2,目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點,如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)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(dá)到Al2O3和Si那么好、機(jī)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(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題,而是采用上下電極結(jié)構(gòu),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質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。
  4、Si襯底
  在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域中夢寐以求的一件事情,因為一旦技術(shù)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(yōu)點,如晶體質(zhì)量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而,由于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硅,所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級質(zhì)量的GaN材料。另外,由于硅襯底對光的吸收嚴(yán)重,LED節(jié)能燈出光效率低。
  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(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)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(dǎo)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(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決,適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)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(fā)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(dǎo)體材料相比,它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲螅歉咝ё瞎獍l(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。ZnO材料的生長非常安全,可以采用沒有任何毒性的水為氧源,用有機(jī)金屬鋅為鋅源。
評價LED襯底時考慮的因素  評價襯底材料要綜合考慮以下的幾個因素:
 。1)襯底與外延膜的晶格匹配
  襯底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二個內(nèi)容:
  ·外延生長面內(nèi)的晶格匹配,即在生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配;
  ·沿襯底表面法線方向上的匹配。
 。2)襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配熱膨脹系數(shù)的匹配也很重要,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(xué)穩(wěn)定性匹配襯底材料需要有相當(dāng)好的化學(xué)穩(wěn)定性,不能因為與外延膜的化學(xué)反應(yīng)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,而且其成本不宜很高。
LED襯底材料的選擇  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(yīng)該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。   目前市面上一般有三種材料可作為襯底:
  ·藍(lán)寶石(Al2O3)
  藍(lán)寶石襯底通常,GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍(lán)寶石襯底上。藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點:首先,藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好;其次,藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好,能夠運用在高溫生長過程中;最后,藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高,易于處理和清洗。因此,大多數(shù)工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底。圖1示例了使用藍(lán)寶石襯底做成的LED芯片。圖1藍(lán)寶石作為襯底的LED芯片使用藍(lán)寶石作為襯底也存在一些問題,例如晶格失配和熱應(yīng)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(lán)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(如圖1所示)。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(dāng)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(kuò)散,以達(dá)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(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度較高,不容易對其進(jìn)行刻蝕,因此在刻蝕過程中需要較好的設(shè)備,這將會增加生產(chǎn)成本。藍(lán)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(jìn)行減薄和切割(從400nm減到100nm左右)。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。藍(lán)寶石的導(dǎo)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(dǎo)出大量的熱量;特別是對面積較大的大功率器件,導(dǎo)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(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。
  ·硅(Si)
  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(dǎo)體,所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善,從而延長了器件的壽命。
  ·碳化硅(SiC)
  碳化硅襯底碳化硅襯底(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(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。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。圖2采用藍(lán)寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能(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。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)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(dǎo)出;同時這種襯底不需要電流擴(kuò)散層,因此光不會被電流擴(kuò)散層的材料吸收,這樣又提高了出光效率。但是相對于藍(lán)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(yīng)的成本。
  三種襯底的性能比較前面的內(nèi)容介紹的就是制作LED芯片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。表1三種襯底材料的性能比較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(shè)計的需要選擇使用。
     現(xiàn)在列舉一些有名公司所用的襯底:
  日亞化學(xué)采用藍(lán)寶石襯底,
  
  Cree公司采用炭化硅(SiC)襯底
  
  旭明公司采用銅襯底,在此基礎(chǔ)上生長氮化鎵外延片。
  
  銅、炭化硅材料襯底導(dǎo)電,而藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電,因此制作LED二極管的結(jié)構(gòu)就有了不同。導(dǎo)熱性能上銅導(dǎo)熱好于炭化硅(SiC),炭化硅(SiC)導(dǎo)熱性能好于藍(lán)寶石,而LED的使用壽命與發(fā)光亮度是與LED的溫度密切相關(guān)的。溫度越高壽命與發(fā)光亮度越低,因此具有銅襯底的LED產(chǎn)品在壽命與發(fā)光亮度要好于炭化硅(SiC)與藍(lán)寶石襯底。
  
  
 
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