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襯底材料——半導(dǎo)體照明的基石

    作者:宏拓新軟件
    發(fā)布日期:2008-02-04         
閱讀:82     
 
 

半導(dǎo)體照明是一種基于半導(dǎo)體發(fā)光二極管新型光源的固態(tài)照明,是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一,已經(jīng)成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一次飛躍。襯底作為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石,是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù),具有舉足輕重的地位。襯底材料的選用直接決定了LED芯片的制造路線。

評價(jià)襯底材料必須綜合考慮下列因素:

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(huì)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?yàn)榕c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。

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(lán)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。

氮化鎵:

用于GaN生長的最理想襯底是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。

氧化鋅:

ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底,是因?yàn)閮烧呔哂蟹浅s@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格識別度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小,接觸勢壘。5,ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點(diǎn)是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。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型摻雜問題沒有得到真正解決,適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。

藍(lán)寶石:

用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好,不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對成熟。導(dǎo)熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

碳化硅:

SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石,目前還沒有第三種襯底用于GaN LED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC襯底有化學(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(jià)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納米以下的紫外光,不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。由于SiC襯底有益的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,可以較好地解決功率型GaN LED器件的散熱問題,故在半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。

同藍(lán)寶石相比,SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外,SiC具有藍(lán)色發(fā)光特性,而且為低阻材料,可以制作電極,使器件在包裝前對外延膜進(jìn)行完全測試成為可能,增強(qiáng)了SiC作為襯底材料的競爭力。由于SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理,襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面,這將大大簡化器件的結(jié)構(gòu);但是同時(shí)由于其層狀結(jié)構(gòu),在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺(tái)階出現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED,實(shí)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(shí)現(xiàn),以及帶動(dòng)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(shí),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(jìn)程將會(huì)取得長足發(fā)展。

 

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