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手电筒工艺技术

LED手电筒生产过程中——外延片--衬底材料有哪些?

LED衬底材料汇总

  当前用于GaN基LED的衬底材料比较多,但是能用于商品化的衬底目前只有三种,即蓝宝石和碳化硅以及硅衬底。其它诸如GaN、ZnO衬底还处于研发阶段,离产业化还有一段距离。

  氮化镓

  用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料,可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。

  氧化锌

  ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底,是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小,接触势垒小)。但是,ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前,ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决,适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

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  蓝宝石

  用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3.其优点是化学稳定性好,不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足,却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

  碳化硅

  SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石,目前中国的晶能光电的江风益教授在Si衬底上生长出了可以用来商业化的LED外延片。Si衬底在导热性、稳定性方面要优于蓝宝石,价格也远远低于蓝宝石,是一种非常有前途的衬底。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等,但不足方面也很突出,如价格太高,晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差,另外,SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光,不适合用来研发380纳米以下的紫外LED.由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能,可以较好地解决功率型GaNLED器件的散热问题,故在半导体照明技术领域占重要地位。

  同蓝宝石相比,SiC与GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外,SiC具有蓝色发光特性,而且为低阻材料,可以制作电极,使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能,增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理,衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面,这将大大简化器件的结构;但是同时由于其层状结构,在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

  实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED,实现低成本,也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现,以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实,其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破,其产业化进程将会取得长足发展。