LED襯底材料大全：

LED襯底材料的概念、作用、種類及性能比較

概念：

襯底又稱基板，也有稱之為支撐襯底。

作用：

襯底主要是外延層生長(zhǎng)的基板，在生產(chǎn)和制作過程中，起到支撐和固定的作用。且與外延層的特性配合要求比較嚴(yán)格，否則會(huì)影響力到外延層的生長(zhǎng)或是芯片的品質(zhì)。

LED襯底材料的種類

目前市面上GaN基系列一般有三種材料可作為襯底：藍(lán)寶石(Al2O3);硅(Si);碳化硅(SiC)。

除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAs、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計(jì)的需要選擇使用。

1、藍(lán)寶石襯底

通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上。

優(yōu)點(diǎn)：

藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好

藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過程中

藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗

缺點(diǎn)

晶格失配和熱應(yīng)力失配，導(dǎo)致外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難;

藍(lán)寶石是絕緣體，電阻率大于1011Ω·cm，無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件;

在外延層上表面制作n型和p型電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時(shí)增加了器件制造中的光刻和刻藝過程，使材料利用率降低、成本增加;

藍(lán)寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，需要的對(duì)它進(jìn)行薄和切割，又增加一筆較大的投資;

藍(lán)寶石的導(dǎo)熱性能不是很好

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(Lateral-contact , 水平接觸)和V接觸(Vertical-contact，垂直接觸)，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)型電極和V型電極。

通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動(dòng)的，也可以是縱向流動(dòng)的。由于電流可以縱向流動(dòng)，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。

因?yàn)楣枋菬岬牧紝?dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長(zhǎng)了器件的壽命。

3、碳化硅襯底

SiC是IV-IV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的穩(wěn)定固態(tài)化合物，一種重要的半導(dǎo)體材料。

具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時(shí)又可以用作基于GaN的藍(lán)色發(fā)光二極管的襯底材料。

帶寬隙半導(dǎo)體材料SiC所制功率器件可以承受更高電壓、更大電流、耗盡層可以做的更薄，因而工作速度更快，可使器件體積更小、重量更輕。

碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能(碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(m·K))要比藍(lán)寶石襯底高出10倍 以上;

使用碳化硅襯底的芯片電極為L(zhǎng)型，兩個(gè)電極分布在器 件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出;同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。

但是相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。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。

4、氮化鎵

用于GaN生長(zhǎng)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。

5、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(shí)別度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小，接觸勢(shì)壘小)。

但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)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(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。

6、襯底的性能比較

(1)藍(lán)寶石、硅和碳化硅三種襯底的性能比較

(2)用于氮化鎵生長(zhǎng)的襯底材料性能優(yōu)劣比較

現(xiàn)在GaN基led燈珠使用的基板材料比較多，用于商品化的基板有藍(lán)寶石和碳化硅基板兩種。其他的例如GaN、Si、ZnO基板還處于研究開發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有距離。

氮化鎵（GaN）

GaNled燈珠用于生長(zhǎng)的最理想的基板是GaN單晶體材料，能夠大幅度地推進(jìn)外延膜的結(jié)晶質(zhì)量，位錯(cuò)密度，能夠降低前進(jìn)元件工作壽命、前進(jìn)發(fā)光功率、前進(jìn)元件工作電流密度。但是GaN體制備單個(gè)晶體非常困難，到目前為止沒有有效的方法。

藍(lán)寶石Al2O3

GaNled燈珠在生長(zhǎng)中最廣泛使用的基板是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，制作技術(shù)比較舊。導(dǎo)熱性差的話，在元件小電流工作中沒有明顯的缺陷，但是在功率型元件大電流工作中問題非常好。

碳化硅SiC

SiC作為基板材料使用的面積僅次于藍(lán)寶石，現(xiàn)在沒有用于GaNled燈珠商業(yè)化的第三基板。

SiC基板的化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)電性好，導(dǎo)熱性好，不吸收可見光等缺點(diǎn)也很好，但是價(jià)格太高，結(jié)晶質(zhì)量不好Al2O3和Si，機(jī)械加工功能差，其他SiC基板吸收380納米以下的紫外線不適合開發(fā)380納米以下的紫外線LED。

SiC由于基板的有利導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，能夠更好地處理功率型GaNled燈珠裝置的散熱問題，因此在半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)重要的方向

與藍(lán)寶石相比，SiC和GaN外延膜的晶格匹配得到改善。另外，SiC具有藍(lán)色發(fā)光特性，且是低電阻材料，能夠制作電極，能夠在封裝前對(duì)外延材料進(jìn)行完全檢查，SiC提高了作為基板材料的競(jìng)爭(zhēng)力。

由于能夠容易地理解SiC的層狀結(jié)構(gòu)，所以能夠在基板和外延膜之間獲得高質(zhì)量的解理面，這大大簡(jiǎn)化元件的結(jié)構(gòu)。然而，由于它們的層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)常出現(xiàn)在襯底表面上引入許多缺陷的臺(tái)階。

氧化鋅（ZnO

ZnO能夠成為GaNled燈珠外延的候補(bǔ)基板是因?yàn)閮烧呔哂辛钊顺泽@的類似點(diǎn)。兩者的晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格識(shí)別度非常小，禁止帶寬接近（帶不連續(xù)值小，接觸屏障?。Ｈ欢?，ZnO作為外延基板的GaN創(chuàng)傷缺陷容易在GaNled燈珠外延生長(zhǎng)的溫度和環(huán)境中分解和腐蝕。

目前，ZnO半導(dǎo)體材料不能用于光電子器件和高溫電子器件的制造，主要沒有實(shí)際處理材料質(zhì)量達(dá)不到設(shè)備水的陡峭的p型摻雜問題，ZnO適合于基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)的設(shè)備開發(fā)不成功。