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。
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。
藍綠光LED
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。
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，這樣可以大大提高外延片膜的晶體品質(zhì)，降低位元錯密度，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。可是，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方法在其他襯底(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(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。
2、藍寶石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、晶體品質(zhì)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(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品質(zhì)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)光二極體是本領(lǐng)域中夢寐以求的一件事情，因為一旦技術(shù)獲得突破，外延片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，如晶體品質(zhì)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品質(zhì)的GaN材料。另外，由于硅襯底對光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。
5、ZnO襯底：
之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底，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，主要是材料品質(zhì)達不到器件水準(zhǔn)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)體雷射器的候選材料。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，用有機金屬鋅為鋅源。
6、ZnSe襯底：
有人使用MBE在ZnSe襯底上生長ZnCdSe/ZnSe等材料，用于藍光和綠光LED器件，最先由住友公司推出，由于其不需要熒光粉就可以實現(xiàn)白光
LED的目標(biāo)，故可降低成品，同時電源回路構(gòu)造簡單，其操作電壓也比GaN白光LED低。但是其并沒有推廣，這是因為由于使用MOCVD，p型參雜沒有很
好解決，試驗中需要用到Sb來參雜，所以一般采用MBE生長，同時其發(fā)光效率較低，，而且由于自補償效應(yīng)的影響，使得其性能不穩(wěn)定，器件壽命較短。 實現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED，實現(xiàn)低成本，也要通過GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實現(xiàn)，以及帶動的工藝技術(shù)的簡化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實，其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，其產(chǎn)業(yè)化進程將會取得長足發(fā)展
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