蓝宝石衬底

MA-TEK 2011 年 3 月 21 日 [SALES.MA.TEK.SH@GMAIL.COM] 蓝宝石衬底 通常，GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点： 首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好； 其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中； 最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。 因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题， 例如晶格失配和热应力失配， 这会在外延层中产 生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率 大于 1011Ω •cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上面制作 n 型和 p 型电极（如图 1 所示） 。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增 加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于 P 型 GaN 掺杂困难，当前普遍采用在 p 型 GaN 上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均 匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约 30%~40%的光，同时 GaN 基材料的化学性 能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会 增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高， 在自然材料中其硬度仅次于金刚石， 但是在 LED 器件的制作过程 中却需要对它进行减薄和切割（从 400nm 减到 100nm 左右） 。添置完成减薄和切割工艺的 设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在 100℃约为 25W/（m•K） ） 。因此在使用 LED 器件时，会传 导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。 为了克服以上困难，很多人试图将 GaN 光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导 电性能。 硅衬底 目前有部分 LED 芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式， 分别是 L 接触（Laterial-contact ,水平接触）和 V 接触（Vertical-contact，垂直接触） ，以下简 称为 L 型电极和 V 型电极。通过这两种接触方式，LED 芯片内部的电流可以是横向流动的， 也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了 LED 的发光面积，从而提高了 LED 的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器 件的寿 碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的 CREE 公司专门采用 SiC 材料作为衬底）的 LED 芯片电极是 L 型电 极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成 面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的 LED 芯片如图 2 所示。 碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为 490W/(m•K)）要比蓝宝石衬底高出 10 倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶 的传热性能也很差。 使用碳化硅衬底的芯片电极为 L 型， 两个电极分布在器件的表面和底部， 所产生的热量可以通过电极直接导出； 同时这种衬底不需要电流扩散层， 因此光不会被电流 扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本 较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。 三种衬底的性能比较 前面的介绍的就是制作 LED 芯片常用的三种衬底材料。 这三种衬底材料的综合性能 MA-TEK 2011 年 3 月 21 日 [SALES.MA.TEK.SH@GMAIL.COM] 除了以上三种常用的衬底材料之外，还有 GaAS、AlN、ZnO 等材料也可作为衬底，通常 根据的需要选择使用。 衬底材料的评价 1．衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数 失配小、结晶性能好、缺陷密度低； 2．衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料 在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降， 还会在器件工作过程中， 由于发热而 造成器件的损坏； 3．衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温 度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降； 4．材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要 求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于 2 英寸。 当前用于 GaN 基 LED 的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即 蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如 GaN、Si、ZnO 衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距 离。 氮化镓： 用于 GaN 生长的最理想衬底是 GaN 单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低 位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备 GaN 体 单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。 氧化锌： ZnO 之所以能成为 GaN 外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者 晶体结构相同、 晶格识别度非常小， 禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小） 。 但是， ZnO 作为 GaN 外延衬底的致命弱点是在 GaN 外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。 目前， ZnO 半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件， 主要是材料质量达不到器件水 平和 P 型掺杂问题没有得到真正解决，适合 ZnO 基半导体材料生长的设备尚未研制成功。 蓝宝石： 用于 GaN 生长最普遍的衬底是 Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适 中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型 器件大电流工作下问题十分突出。 碳化硅： SiC 作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于 GaNLED 的商业化生产。SiC 衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但 不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到 Al2O3 和 Si 那么好、机械加工性能比 较差， 另外， SiC 衬底吸收 380 纳米以下的紫外光， 不适合用来研发 380 纳米以下的紫外 LED。 由于 SiC 衬底有益的导电性能和导热性能， 可以较好地解决功率型 GaNLED 器件的散热问题， 故在半导体照明技术领域占重要地位。 同蓝宝石相比， SiC 与 GaN 外延膜的晶格匹配得到改善。 此外， SiC 具有蓝色发光特性， 而且为低阻材料，可以制作