LED外延片

LED外延片生長(zhǎng)的基本原理是：在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片（主要有藍(lán)寶石和、SiC、Si）上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長(zhǎng)出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長(zhǎng)技術(shù)主要采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法。 　　

襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的生長(zhǎng)技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。

　　襯底材料選擇特點(diǎn)： 　　

1、結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小 　　

2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強(qiáng) 　　

3、化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕 　　

4、熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小 　　

5、導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu)

6、光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小 　　

7、機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等 　　

8、價(jià)格低廉。 　　

9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。 　　

10、容易得到規(guī)則形狀襯底（除非有其他特殊要求），與外延設(shè)備托盤(pán)孔相似的襯底形狀才不容易形成不規(guī)則渦流，以至于影響外延質(zhì)量。 　　

11、在不影響外延質(zhì)量的前提下，襯底的可加工性盡量滿足后續(xù)芯片和封裝加工工藝要求。 　　

襯底的選擇要同時(shí)滿足以上十一個(gè)方面是非常困難的。所以，目前只能通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)的變更和器 件加工工藝的調(diào)整來(lái)適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍(lán)寶石 Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對(duì)五種用于氮化鎵生長(zhǎng)的襯底材料性能的優(yōu)劣進(jìn)行了定性比較。 　　

的襯底材料考慮的因素： 　　

1、襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低; 　　

2、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過(guò)大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì)在器件工作過(guò)程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞; 　　

3、襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降; 　　

4、材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡(jiǎn)潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。 　　

目前襯底材料 　　當(dāng)前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍(lán)寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。

編輯本段一、紅黃光LED

　　紅光LED以GaP（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGaInP（四元系）為主，主要采用GaP和GaAs作為襯底，未產(chǎn)業(yè)化的還有藍(lán)寶石Al2O3和硅襯底。 　　

1、GaAs襯底：在使用LPE生長(zhǎng)紅光LED時(shí)，一般使用AlGaAs外延層，而使用MOCVD生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí)，一般生長(zhǎng)AlInGaP外延結(jié)構(gòu)。外延層生長(zhǎng)在GaAs襯底上，由于晶格匹配，容易生長(zhǎng)出較好的材料，但缺點(diǎn)是其吸收這一波長(zhǎng)的光子，布拉格反射鏡或晶片鍵合技術(shù)被用于消除這種額外的技術(shù)問(wèn)題。 　　

2、GaP襯底：在使用LPE生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí)，一般使用GaP外延層，波長(zhǎng)范圍較寬 565-700nm;使用VPE生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí)，生長(zhǎng)GaAsP外延層，波長(zhǎng)在630-650nm 之間;而使用MOCVD時(shí)，一般生長(zhǎng)AlInGaP外延結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點(diǎn)，直接將LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在透明襯底上，但缺點(diǎn)是 晶格失配，需要利用緩沖層來(lái)生長(zhǎng)InGaP和AlGaInP結(jié)構(gòu)。另外，GaP基的III-N-V材料系統(tǒng)也引起廣泛的興趣，這種材料結(jié)構(gòu)不但可以改變帶 寬，還可以在只加入0.5 %氮的情況下，帶隙的變化從間接到直接，并在紅光區(qū)域具有很強(qiáng)的發(fā)光效應(yīng)（650nm）。采用這樣的結(jié)構(gòu)制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)一步外延形成LED結(jié)構(gòu)，并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復(fù)雜工藝。

編輯本段二、藍(lán)綠光LED

　　用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。

1、氮化鎵襯底：

　 　用于氮化鎵生長(zhǎng)的的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延片膜的晶體品質(zhì)，降低位元錯(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?？墒牵苽涞夡w單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過(guò)HVPE方法在其他襯底（如Al2O3、SiC、 LGO）上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過(guò)剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即 以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元錯(cuò)密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯(cuò)密度要明顯低;但價(jià)格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的 襯底之用受到限制。

2、藍(lán)寶石Al2O3襯底：

　 　目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的zui普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見(jiàn)光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟;不足方面雖然很多，但均一一被克 服，如很大的晶格失配被過(guò)渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過(guò)同側(cè)P、N電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過(guò)雷射劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓 應(yīng)力因而不會(huì)龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒(méi)有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問(wèn)題十分突出。

3、SiC襯底：

　 　除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第2，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多 突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見(jiàn)光等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體品質(zhì)難以達(dá)到Al2O3和Si那麼好、機(jī)械 加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來(lái)研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問(wèn)題，而是采 用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問(wèn)題。目前上能提供商用的高品質(zhì)的SiC襯底的廠家只有美國(guó)CREE公司。

4、Si襯底：

　 　在硅襯底上制備發(fā)光二極體是本領(lǐng)域中夢(mèng)寐以求的一件事情，因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破，外延片生長(zhǎng)成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯 底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱 失配，以及在GaN的生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 襯底上很難得到無(wú)龜裂及器件級(jí)品質(zhì)的GaN材料。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。

5、ZnO襯底：

　 　之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值 小，接觸勢(shì)壘?。５?，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來(lái)制 造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料品質(zhì)達(dá)不到器件水準(zhǔn)和P型摻雜問(wèn)題沒(méi)有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)的重點(diǎn) 是尋找合適的生長(zhǎng)方法。但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ui大，是紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體雷射器的候選材料。ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，可以采用沒(méi)有任何毒性的水為氧源，用有機(jī)金屬鋅為鋅源。

6、ZnSe襯底：

　 　有人使用MBE在ZnSe襯底上生長(zhǎng)ZnCdSe/ZnSe等材料，用于藍(lán)光和綠光LED器件，zui先由住友公司推出，由于其不需要熒光粉就可以實(shí)現(xiàn)白光 LED的目標(biāo)，故可降低成品，同時(shí)電源回路構(gòu)造簡(jiǎn)單，其操作電壓也比GaN白光LED低。但是其并沒(méi)有推廣，這是因?yàn)橛捎谑褂肕OCVD，p型參雜沒(méi)有很 好解決，試驗(yàn)中需要用到Sb來(lái)參雜，所以一般采用MBE生長(zhǎng)，同時(shí)其發(fā)光效率較低，，而且由于自補(bǔ)償效應(yīng)的影響，使得其性能不穩(wěn)定，器件壽命較短。 　　實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED，實(shí)現(xiàn)低成本，也要通過(guò)GaN襯底導(dǎo)致、大面積、單燈大功率的實(shí)現(xiàn)，以及帶動(dòng)的工藝技術(shù)的簡(jiǎn)化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實(shí)，其意義不亞于愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)取得長(zhǎng)足發(fā)展