LED半导体照明衬底类型及其测量技术

LED半导体照明衬底类型及其测量技术

自上世纪90年代初中村修二发明高亮度蓝光LED以来，基于GaN基蓝光LED和黄色荧光粉组合发出白光方式的半导体照明技术在世界范围内得到了广泛关注和快速发展。迄今为止，商品化白光LED的光效已经超过150 lm/W，而实验室水平已经超过了200 lm/W，远远高于传统白炽灯（15 lm/W）和荧光灯（80 lm/W）的水平。从市场看，LED已经广泛应用于显示屏、液晶背光源、交通指示灯、室外照明等领域，并已经开始向室内照明、汽车灯、舞台灯光、特种照明等市场渗透，未来有望全面替换传统光源。

半导体照明光源的质量和LED芯片的质量息息相关。进一步提高LED的光效（尤其是大功率工作下的光效）、可靠性、寿命是LED材料和芯片技术发展的目标。

LED半导体衬底分类

（1）图形衬底

衬底是支撑外延薄膜的基底，由于缺乏同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。发展至今，蓝宝石已经成为性价比最高的衬底，使用最为广泛。由于GaN的折射率比蓝宝石高，为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射，目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。常见的图形衬底图案一般是按六边形密排的尺寸为微米量级的圆锥阵列，可以将LED的光提取效率提高至60%以上。同时也有研究表明，利用图形衬底并结合一定的生长工艺可以控制GaN中位错的延伸方向从而有效降低GaN 外延层的位错密度。在未来相当一段时间内图形衬底依然是正装芯片采取的主要技术手段。

未来图形衬底的发展方向是向更小的尺寸发展。目前，受限于制作成本，蓝宝石图形衬底一般采用接触式曝光和ICP干法刻蚀的方法进行制作，尺寸只能做到微米量级。如能进一步减小尺寸至和光波长可比拟的百nm量级，则可以进一步提高对光的散射能力。甚至可以做成周期性结构，利用二维光子晶体的物理效应进一步提高光提取效率。纳米图形的制作方法包括电子束曝光、纳米压印、纳米小球自组装等，从成本上考虑，后两者更适合用于衬底的加工制作。

（2）大尺寸衬底

目前，产业界中仍以2英寸蓝宝石衬底为主流，某些国际大厂已经在使用3英寸甚至4英寸衬底，未来有望扩大至6英寸衬底。衬底尺寸的扩大有利于减小外延片的边缘效应，提

高LED的成品率。但是目前大尺寸蓝宝石衬底的价格依然昂贵，且扩大衬底尺寸后相配套的材料外延设备和芯片工艺设备都要面临升级，对厂商而言是一项不小的投入。

（3）SiC衬底

SiC衬底和GaN基材料之间的晶格失配度更小，事实证明在SiC上生长获得的GaN晶体质量要略好于在蓝宝石衬底上的结果。但是SiC衬底尤其是高质量的SiC衬底制造成本很高，故鲜有厂商用于LED的材料外延。但是美国Cree公司凭借自身在高质量SiC衬底上的制造优势，成为业内唯一一个只在SiC衬底上生长LED的厂商，从而避开在蓝宝石衬底上生长GaN的专利壁垒。目前SiC衬底的主流尺寸是3英寸，未来有望拓展至4英寸。SiC衬底相比蓝宝石衬底更适合于制作GaN基电子器件，未来随着宽禁带半导体功率电子器件的发展，SiC衬底的成本有望进一步降低。

（4）Si衬底

Si衬底被看作是降低LED外延片成本的理想选择，因为其大尺寸（8寸、12寸）衬底发展得最为成熟。但是，由于晶格失配和热失配太大，难于控制，基于Si衬底的LED材料质量相对较差，且成品率偏低，所以目前市场上基于Si衬底的LED产品十分少见。目前在Si 上生长LED主要采用以6英寸以下的衬底为主，考虑成品率因素，实际LED的成本和基于蓝宝石衬底的相比不占优势。和SiC衬底一样，大多数研究机构和厂商更加青睐在Si衬底上生长电子器件而不是LED。未来Si衬底上的LED外延技术应该瞄准8英寸或12英寸这种更大尺寸的衬底。

（5）同质衬底

正如前面提到的，目前LED的外延生长依然是以异质衬底的外延为主。但是晶格匹配和热匹配的同质衬底依然被看作提高晶体质量和LED性能的最终解决方案。最近几年，随着氢化物气相沉积（HVPE）外延技术的发展，大面积GaN基厚衬底制作技术得到了重视，其制作方法一般为采用HVPE在异质衬底上快速生长获得数十至数百微米厚的GaN体材料，再采用机械、化学或物理手段将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来，利用此GaN厚层作为衬底，进行LED外延。日本三菱公司和住友公司已经可以提供GaN基衬底的产品，但是价格昂贵，对于一般LED的生长不划算。主要是用于激光器的制造或者非极性/半极性面LED的研究。美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）中村小组在非极性/半极性面LED研制方面做出了许多开创性和代表性的工作。非极性/半极性面LED可以规避传统c面LED中存在的极化效应问题，从而进一步提升LED尤其是长波长可见光LED的效率。但是高质量的非极性/半极性面LED必须依赖同质衬底，而非极性/半极性面的GaN衬底离实用化还有相当的距离。此外，

日本、波兰、美国等一些学校和研究机构也在尝试使用碱金属熔融法、氨热法等手段在高压和中温条件下制造GaN块状晶体，但是目前都尚处于研究阶段。

LED半导体衬底测量技术

衬底是支撑外延薄膜的基底，因此衬底表面质量关系着外延薄膜的好坏，进而会影响整个LED灯具质量，因而对衬底表面质量准确测量非常重要，目前LED衬底表面粗糙度在纳米级别，市场上最成熟高效的测量工具是光学3D表面轮廓仪（白光干涉仪）。

中图仪器以多年累积的白光三维重建技术以及微纳米显微测量算法为基础，推出的SuperView W1系列光学3D表面轮廓仪成为市场的佼佼者，在科研院所、大专院校及蓝宝石衬底加工企业中广受好评。

SuperView W1系列光学3D表面轮廓仪具有四大显著特点：

1、高精度、高重复性

1）采用光学干涉技术、精密Z向扫描模块和优异的3D重建算法组成测量系统，保证测量精度高；

2）独特的隔振系统，能够有效隔离频率2Hz以上绝大部分振动，消除地面振动噪声和空气中声波振动噪声，保障仪器在大部分的生产车间环境中能稳定使用，获得极高的测量重复性；

2、一体化操作的测量分析软件

1）测量与分析同界面操作，无须切换，测量数据自动统计，实现了快速批量测量的功能；

2）可视化窗口，便于用户实时观察扫描过程；

3）结合自定义分析模板的自动化测量功能，可自动完成多区域的测量与分析过程；

4）几何分析、粗糙度分析、结构分析、频率分析、功能分析五大功能模块齐全；

5）一键分析、多文件分析，自由组合分析项保存为分析模板，批量样品一键分析，并提供数据分析与统计图表功能；

6）可测依据ISO/ASME/EUR/GBT等标准的多达300余种2D、3D参数。

3、精密操纵手柄