節(jié)能新材料之半導體照明介紹-閱讀頁
2025-05-29 03:46本頁面
【正文】 格匹配，而且其具有匹配的熱膨脹系數(shù)和高的電導率。 自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的氮化物半導體激光器、大功率高亮度半導體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的。應該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進行選擇。藍寶石（Al2O3） 碳化硅（SiC） 通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖1藍寶石作為襯底的LED芯片使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。cm，在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件；通常只在外延層上表面制作n型和p型電極（如圖1所示）。由于P型GaN摻雜困難，當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發(fā)光的目的。藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。藍寶石的導熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m因此在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。 硅襯底目前有部分LED芯片采用硅襯底。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的，也可以是縱向流動的。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。圖2采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(shù)為490W/(m藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應的成本。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。 襯底材料的評價 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)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞； 3．襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質(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潔，成本不宜很高。 當前用于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，即藍寶石和碳化硅襯底。 氮化鎵： 用于GaN生長的最理想襯底是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。 氧化鋅： ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。 藍寶石： 用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。SiC襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質(zhì)量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差，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。 同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善
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