LED外延片生長的基本原理是：在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍寶石和、SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術(shù)主要采用有機金屬化學(xué)氣相沉積方法。

LED外延片襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。

LED外延片襯底材料選擇特點：

1、結(jié)構(gòu)特性好，外延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、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強

3、化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延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英吋。

10、容易得到規(guī)則形狀襯底(除非有其他特殊要求)，與外延設(shè)備托盤孔相似的襯底形狀才不容易形成不規(guī)則渦流，以至于影響外延質(zhì)量。

11、在不影響外延質(zhì)量的前提下，襯底的可加工性盡量滿足后續(xù)芯片和封裝加工工藝要求。

襯底的選擇要同時滿足以上十一個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(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，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優(yōu)劣進行了定性比較。

LED外延片的襯底材料考慮的因素：

1、襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低;

2、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，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：襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，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，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。

目前LED外延片襯底材料

當(dāng)前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。

LED外延片的發(fā)展

 

LED外延片是指在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片（主要有藍寶石、SiC、Si等）上所生長出的特定單晶薄膜。外延片處于LED產(chǎn)業(yè)鏈中的上游環(huán)節(jié)，是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量最高、對最終產(chǎn)品品質(zhì)、成本控制影響最大的環(huán)節(jié)。

近年來，下游應(yīng)用市場的繁榮帶動我國LED產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，外延片市場也迎來發(fā)展良機。國內(nèi)LED外延片產(chǎn)能快速提升，技術(shù)水平不斷進步，產(chǎn)品已開始進入中高檔次。在芯片市場供貨偏緊和各地政策支持力度加大的背景下，2011年我國LED外延片產(chǎn)能繼續(xù)擴張。在區(qū)域分布上，我國LED外延片企業(yè)主要集中在閩三角地區(qū)、環(huán)渤海灣地區(qū)和珠三角地區(qū)。

外延片是LED核心器件中的前端高技術(shù)產(chǎn)品，我國在這一領(lǐng)域的企業(yè)競爭目前仍處于“藍海”階段。國內(nèi)外延片市場的基本格局是外資企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)，本土廠商逐步崛起。為進一步完善LED產(chǎn)業(yè)鏈，“十二五”期間各級政府將繼續(xù)加強對上游外延片領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的投入，中下游企業(yè)也在積極向上游拓展，國內(nèi)LED外延片市場發(fā)展前景樂觀。

紅黃光LED

 

紅光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)為主，主要采用GaP和GaAs作為襯底，未產(chǎn)業(yè)化的還有藍寶石Al2O3和硅襯底。

1、GaAs襯底：在使用LPE生長紅光LED時，一般使用AlGaAs外延層，而使用MOCVD生長紅黃光LED時，一般生長AlInGaP外延結(jié)構(gòu)。外延層生長在GaAs襯底上，由于晶格匹配，容易生長出較好的材料，但缺點是其吸收這一波長的光子，布拉格反射鏡或晶片鍵合技術(shù)被用于消除這種額外的技術(shù)問題。

2、GaP襯底：在使用LPE生長紅黃光LED時，一般使用GaP外延層，波長范圍較寬565-700nm;使用VPE生長紅黃光LED時，生長GaAsP外延層，波長在630-650nm 之間;而使用MOCVD時，一般生長AlInGaP外延結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點，直接將LED結(jié)構(gòu)生長在透明襯底上，但缺點是晶格失配，需要利用緩沖層來生長InGaP和AlGaInP結(jié)構(gòu)。另外，GaP基的III-N-V材料系統(tǒng)也引起廣泛的興趣，這種材料結(jié)構(gòu)不但可以改變帶寬，還可以在只加入0.5 %氮的情況下，帶隙的變化從間接到直接，并在紅光區(qū)域具有很強的發(fā)光效應(yīng)(650nm)。采用這樣的結(jié)構(gòu)制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過一步外延形成LED結(jié)構(gòu)，并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復(fù)雜工藝。