LED芯片衬底材料

LED芯片衬底材料
【摘要】衬底材料作为半导体照明产业的技术发展的基石，是半导体产业的核心，具有重要地位。

本文对适合于LED芯片衬底材料的蓝宝石，硅，碳化硅，氮化镓等从材料本身的特性出发，阐述了各种衬底材料的优缺点和未来发展趋势。

【关键词】LED照明蓝宝石衬底硅衬底碳化硅衬底氮化镓衬底
1 引言
LED照明即是发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。

它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

由于LED的寿命长，安全可靠，环保节能，色彩多样，所以自从LED发明以来，很快就获得世人的认可。

全球都投入了大量的人力、财力去研究和开发。

我国LED产业起步于20世纪70年代，经过40多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。

在“国家半导体照明工程”的推动下，我国LED下游产业有了长足的发展，但是上游的LED产业仍然需要进一步的投入，以赶上日本，美国和欧洲。

2 衬底材料的要求
当今大部分的芯片是GaN，GaN的生长方法有很多种，但是由于尚未解决单晶生产工艺，目前还是在衬底上进行外延生长，是依靠有机金属气象沉积法在相关的异型支撑衬底上生长的[1]。

这样，衬底材料的选用就是我们首要考虑的问题。

要想采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择[2]。

目前来说，好的衬底材料应该有以下九方面的特性：
（1）结构特性好，晶圆材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小。

（2）接口特性好，有利于晶圆料成核且黏附性强。

（3）化学稳定性好，在晶圆生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀。

（4）热学性能好，要具备良好的导热性。

（5）导电性好，有利于衬底电极的制备[3]。

（6）光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小。

（7）机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等。

（8）价格低廉。

（9）大尺寸，一般要求直径不小于2英寸。

表1中列举了常见的衬底材料的结构和晶格常数[4]。

3 衬底材料种类
目前一般采用诸如在蓝宝石、SiC、Si、GaAs或其它衬底材料上生长GaN[5]。

3.1 蓝宝石衬底材料
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是蓝宝石。

蓝宝石的组成为氧化铝（Al2O3），是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构。

它常被应用的切面有A-Plane，C-Plane及R-Plane。

由于蓝宝石的光学穿透带很宽，从近紫外光（190nm）到中红外线都具有很好的透光性。

因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。

目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶（GaN）的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石（单晶Al2O3）C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

3.1.1 蓝宝石晶体的生长方法
柴氏拉晶法（Czochralski method），简称CZ法。

先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。

于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。

晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭。

凯氏长晶法（Kyropoulos method），简称KY法，国内称之为泡生法。

其原理与柴氏拉晶法（Czochralski method）类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种（SeedCrystal，又称籽晶棒）接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方
逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇。

3.1.2 蓝宝石的优缺点
蓝宝石的优点：（1）生产技术成熟、器件质量较好；（2）稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；（3）机械强度高，易于处理和清洗。

蓝宝石的不足：（1）晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；（2）蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；（3）增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。

3.2 碳化硅衬底材料
碳化硅衬底（美国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。

碳化硅的优点：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。

碳化硅的不足：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。

3.3 硅衬底材料
相对蓝宝石和SiC而言，Si材料具有低成本、大面积、高质量、导电导热性能等优点，且硅工艺技术相对成熟，Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。

而且，S衬底非常便宜，制备工艺很成熟，可以大面积获得；并且，采用这些衬底来生长GaN材料，有望将来GaN光电器件与成熟的Si和GaAs 电子器件集成在一起。

但是，由于Si衬底与GaN外延层之间巨大的晶格失配和热失配，这使Si衬底上的GaN材料产生大量的位错和裂纹，这为Si衬底上GaN 的生长和研究设置了障碍。

硅衬底的优点：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命。

硅衬底垂直芯片采用银作为P电极，相比蓝宝石芯片采用ITO做P电极，导电性能提高了10倍以上，具有良好的电流扩散特性，具备低电压、高光效的特点，可以在大电流下工作。

硅的导热系数是蓝宝石的5倍，良好的散热性使硅衬底LED具有高性能和长寿命。

同时，硅衬底可以实现无损剥离，消除了衬底和氮化镓材料层的应力，硅衬底芯片具有N 面朝上、单面出光无侧光、发光形貌为朗伯分布以及容易匹配二次光学的特点，更适合指向性照明。

硅衬底大功率LED芯片非常适合陶瓷共晶封装。

硅衬底的不足：陶瓷共晶封装在行业内是高端的封装技术，要求高，难点多。

3.4 其他衬底材料
3.4.1 氮化镓衬底
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。

3.4.2 氧化锌衬底
由于氧化锌与GaN性能相近，ZnO在a轴方向与GaN的失配度是1.9%，在c轴方向与GaN的失配度是0.4%。

与蓝宝石相比，ZnO失配度小，匹配较好。

除此之外，ZnO还具有易于制备、容易被醋酸腐蚀的优点。

在有些应用中，通过对ZnO选择性腐蚀，能够实现GaN层与衬底相分离[4]。

同时由于氧化锌本身也是重要的电致发光材料，相比其他材料能进行同质外延，其发展优势显而易见。

3.4.3 铝酸锂衬底
LiAlO2是一种最具发展前景的衬底材料，正方晶系γ-LiAlO2与氮化镓的结构比较接近。

因为γ-LiAlO2拥有低的热膨胀系数，所以在外延薄膜生长的过程中不需要缓冲层消除应力来降低差排密度，而在衬底材料的制备上，比较LiAlO2的（100）面与（001）面，会发现（001）面在抛光的过程中容易产生很多的缝隙与刮痕，其主要的原因是因为γ-LiAlO2在（100）面结构非常接近GaN的（001）面结构。

又因为（100）面比较容易研磨、抛光，而且γ-LiAlO2会被水慢慢的腐蚀，所以在抛光的过程中可以利用水作为抛光液[5]，因此可以降低衬底的植被成本，Hellman等人[6]已经成功地在LiAlO2衬底上生长GaN薄膜。

因此在未来的应用上铝酸锂最具发展空间。

4 结语
衬底材料作为半导体照明产业的技术发展的基石，是半导体产业的核心，具有重要地位。

其中蓝宝石、碳化硅是目前应用较多的衬底材料。

而未来的衬底材料目前由于成本或设备原因未能大规模生产，在未来具有巨大的发展空间。

参考文献：
[1]文磊，LED用半导体发光材料的产业现状[J].世界有色金属.2010.10：68-71.
[2] http：///info/6589.html.
[3]王如刚，陈振强，胡国永等.几种LED衬底材料的特征对比与研究现状[J].科学技术与工程，2006，V ol.6（No.2）.
[4]张克华，文东辉，袁巨龙，高亮度LED衬底材料研究[J] 功能材料2009.5（40）：709-716 .
[5]莫春兰.硅衬底GaN基蓝光LED材料生长及器件研制[D].南昌大学，2006.
[6]Hellman ES，Liliental-Weber Z，Buchanan DNE.Jnitride Semic Res，1997，2：30.。