如何選用LED襯底材料才合適？

類別：技術與產品發表于：2011-12-08 21:50

    對于制作LED芯片來說，如何選用襯底材料是首要考慮的問題。應該選用哪種襯底，需要根據設備和LED器件的要求進行選擇。目前市面上一般有三種材料可作為襯底：
    ·藍寶石（Al2O3）
    ·硅 (Si）
    ·碳化硅（SiC）
    1、藍寶石襯底
    通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優點：首先，藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好；其次，藍寶石的穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多數工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖1示例了使用藍寶石襯底做成的LED芯片。

圖1 藍寶石作為襯底的LED芯片

    使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011Ω·cm，在這種情況下無法制作垂直結構的器件；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，結果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難，當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光，同時GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設備，這將會增加生產成本。
    藍寶石的硬度非常高，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備又要增加一筆較大的投資。
    藍寶石的導熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m·K））。因此在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導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，從而改善導熱和導電性能。
    2、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的發光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。
    3、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電和導熱性能都非常好，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 采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片

    碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數為490W/(m·K)）要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，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，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。
    三種襯底的性能比較
    前面的內容介紹的就是制作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。