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LED衬底材料的选用

导读: 对于制作LED芯片来说,衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该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。目前市面上一般有三种材料可作为衬底

  对于制作LED芯片来说,衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该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。目前市面上一般有三种材料可作为衬底:

 ·蓝宝石(Al2O3)
 ·硅 (Si)
 ·碳化硅(SiC)

  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。图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。

 

 

  图1  蓝宝石作为衬底的LED芯片

  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;通常只在外延层上表面制作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命。

  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。

   
  图2  采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片

  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

 
前面的内容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见表1。


 
  表1  三种衬底材料的性能比较

  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,通常根据设计的需要选择使用。(小汤)

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