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5050LED燈珠外延片:五種襯底的綜合比較

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5050LED燈珠外延片:五種襯底的綜合比較

發布日期:2017-12-04 作者:普朗克光電 點擊:

不同的5050LED燈珠、2835cree芯片襯底材料,需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術,襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面:

  [1] 結構特性好,外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、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;

  [3] 化學穩定性好,在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕;

  [4] 熱學性能好,包括導熱性好和熱失配度小;

  [5] 導電性好,能制成上下結構;

  [6] 光學性能好,制作的器件所發出的光被襯底吸收小;

  [7] 機械性能好,器件容易加工,包括減薄、拋光和切割等;

  [8] 價格低廉;

  [9] 大尺寸,一般要求直徑不小于2英吋。

  襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以,目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產的襯底目前只有二種,即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優劣進行了定性比較。

襯底材料

 

Al2O3

 

SiC

 

Si

 

ZnO

 

GaN

 

晶格失配度

 

 

 

 

 

 

界面特性

 

 

 

 

 

 

化學穩定性

 

 

 

 

 

 

導熱性能

 

 

 

 

 

 

熱失配度

 

 

 

 

 

 

導電性

 

 

 

 

 

 

光學性能

 

 

 

 

 

 

機械性能

 

 

 

 

 

 

價格

 

 

 

 

 

 

尺寸

 

 

 

 

 

 

            用于氮化鎵生長的襯底材料性能優劣比較

 1)氮化鎵襯底

fg美人捕鱼  用于氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料,這樣可以大大提高外延膜的晶體質量,降低位錯密度,提高器件工作壽命,提高發光效率,提高器件工作電流密度。可是,制備氮化鎵體單晶材料非常困難,到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜,然后通過剝離技術實現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點非常明顯,即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯密度,比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低;但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制。

  氮化鎵襯底生產技術和設備:

  缺乏氮化鎵襯底是阻礙氮化物研究的主要困難之一,也是造成氮化鎵發光器件進展目前再次停頓的根本原因!雖然有人從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料,但尺寸很小,無法使用,目前主要是在藍寶石、硅、碳化硅襯底上生長。雖然在藍寶石襯底上可以生產出中低檔氮化鎵發光二極管產品,但高檔產品只能在氮化鎵襯底上生產。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底,價格奇貴,一片2英寸襯底價格約1萬美元,這些襯底全部由HVPE(氫化物氣相外延)生產。

  HVPE是二十世紀六七十年代的技術,由于它生長速率很快(一分鐘一微米以上),不能生長量子阱、超晶格等結構材料,在八十年代被MOCVD、MBE等技術淘汰。然而,恰是由于它生長速率快,可以生長氮化鎵襯底,這種技術又在“死灰復燃”并受到重視。可以斷定,氮化鎵襯底肯定會繼續發展并形成產業化,HVPE技術必然會重新受到重視。與高壓提拉法相比,HVPE方法更有望生產出可實用化的氮化鎵襯底。不過國際上目前還沒有商品化的設備出售。

  目前國內外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺設備分開進行的。即先用MOCVD生長0.1~1微米的結晶層,再用HVPE生長約300微米的氮化鎵襯底層,最后將原襯底剝離、拋光等。由于生長一個襯底需要在兩個生長室中分兩次生長,需要降溫、生長停頓、取出等過程,這樣不可避免地會出現以下問題:①樣品表面粘污;②生長停頓、降溫造成表面再構,影響下次生長。

  今后研發的重點仍是尋找合適的生長方法,大幅度降低其成本。

  2) Al2O3襯底

  目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3,其優點是化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟;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渡層生長技術所克服,導電性能差通過同側P、N電極所克服,機械性能差不易切割通過激光劃片所克服,很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是,差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

  國內外Al2O3襯底今后的研發任務是生長大直徑的Al2O3單晶,向4-6英吋方向發展,以及降低雜質污染和提高表面拋光質量。

  3)SiC襯底

fg美人捕鱼  除了Al2O3襯底外,目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC,它在市場上的占有率位居第二,目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業化生產。它有許多突出的優點,如化學穩定性好、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 nm以下的紫外光,不適合用來研發380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優異的的導電性能和導熱性能,不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術解決散熱問題,而是采用上下電極結構,可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題,故在發展中的半導體照明技術領域占有重要地位。

  目前國際上能提供商用的高質量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。國內外SiC襯底今后研發的任務是大幅度降低制造成本和提高晶體結晶質量。

  4)Si襯底

  在硅襯底上制備發光二極管是本領域里夢寐以求的一件事情,因為一旦技術獲得突破,外延生長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點,如晶體質量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。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的生長過程中容易形成非晶氮化硅,所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級質量的GaN材料。另外,由于硅襯底對光的吸收嚴重,LED出光效率低。

fg美人捕鱼  目前國外文獻報導的硅襯底上藍光LED光功率最好水平是420mW,是德國Magdeburg大學研制的。日本Nagoya技術研究所今年在上海國際半導體照明論壇上報道的硅襯底上藍光LED光輸出功率為18 mW

5)ZnO襯底

  之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底,是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格失配度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續值小,接觸勢壘小)。但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前,ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。今后研發的重點是尋找合適的生長方法。

fg美人捕鱼  但是,ZnO本身是一種有潛力的發光材料。 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體材料相比,它在380 nm附近紫光波段發展潛力最大,是高效紫光發光器件、低閾值紫光半導體激光器的候選材料。這是因為,ZnO的激子束縛能高達60 meV,比其他半導體材料高得多(GaN為26 meV),因而具有比其他材料更高的發光效率。

  另外ZnO材料的生長非常安全,可以采用沒有任何毒性的水為氧源,用有機金屬鋅為鋅源。因而,今后ZnO材料的生產是真正意義上的綠色生產,原材料鋅和水資源豐富、價格便宜,有利于大規模生產和持續發展。


本文網址:http://www.tagimatic.com/news/442.html

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