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LED衬底材料和护栏组成的一些你必须知道的小常识!

时间:2017-12-07 11:49 点击:
LED衬底材料和护栏组成的一些你必须知道的小常识!-柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法。先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再利用一单晶晶种接触到熔

LED衬底材料和护栏组成的一些你必须知道的小常识!

  什么是LED衬底材料?LED衬底有哪些?

  LED照明即是发光二极管照明,是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。由于LED的寿命长,安全可靠,环保节能,色彩多样,所以自从LED发明以来,很快就获得世人的认可。全球都投入了大量的人力、财力去研究和开发。

本文引用地址:

  我国LED产业起步于20世纪70年代,经过40多年的发展,中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下,我国LED下游产业有了长足的发展,但是上游的LED产业仍然需要进一步的投入,以赶上日本,美国和欧洲。

LED衬底材料和护栏组成的一些你必须知道的小常识!

   衬底材料的要求

  当今大部分的芯片是GaN,GaN的生长方法有很多种,但是由于尚未解决单晶生产工艺,目前还是在衬底上进行外延生长,是依靠有机金属气象沉积法在相关的异型支撑衬底上生长的[1]。这样,衬底材料的选用就是我们首要考虑的问题。要想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[2]。目前来说,好的衬底材料应该有以下九方面的特性:

  (1)结构特性好,晶圆材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小。

  (2)接口特性好,有利于晶圆料成核且黏附性强。

  (3)化学稳定性好,在晶圆生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀。

  (4)热学性能好,要具备良好的导热性。

  (5)导电性好,有利于衬底电极的制备[3]。

  (6)光学性能好,制作的器件所发出的光被衬底吸收小。

  (7)机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等。

  (8)价格低廉。

  (9)大尺寸,一般要求直径不小于2英寸。

  表1中列举了常见的衬底材料的结构和晶格常数[4]。

   衬底材料种类

  目前一般采用诸如在蓝宝石、SiC、Si、GaAs或其它衬底材料上生长GaN[5]。

   蓝宝石衬底材料

  目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是蓝宝石。

  蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3),是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性。因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上,它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高(2045℃)等特点,它是一种相当难加工的材料,因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质,而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关,蓝宝石(单晶Al2O3)C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小,同时符合GaN磊晶制程中耐高温的要求,使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

LED衬底材料和护栏组成的一些你必须知道的小常识!

   蓝宝石晶体的生长方法

  柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法。先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再利用一单晶晶种接触到熔汤表面,在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升,并伴随以一定的转速旋转,随着晶种的向上拉升,熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上,进而形成一轴对称的单晶晶锭。

  凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,国内称之为泡生法。其原理与柴氏拉晶法(Czochralski method)类似,先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再以单晶之晶种(SeedCrystal,又称籽晶棒)接触到熔汤表面,在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶,晶种以极缓慢的速度往上拉升,但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈,待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后,晶种便不再拉升,也没有作旋转,仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固,最后凝固成一整个单晶晶碇。

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   蓝宝石的优缺点

  蓝宝石的优点:(1)生产技术成熟、器件质量较好;(2)稳定性很好,能够运用在高温生长过程中;(3)机械强度高,易于处理和清洗。

  蓝宝石的不足:(1)晶格失配和热应力失配,会在外延层中产生大量缺陷;(2)蓝宝石是一种绝缘体,在上表面制作两个电极,造成了有效发光面积减少;(3)增加了光刻、蚀刻工艺过程,制作成本高。

   碳化硅衬底材料

  碳化硅衬底(美国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。

  碳化硅的优点: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。

  碳化硅的不足: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。

   硅衬底材料

  相对蓝宝石和SiC而言,Si材料具有低成本、大面积、高质量、导电导热性能等优点,且硅工艺技术相对成熟,Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。而且,S衬底非常便宜,制备工艺很成熟,可以大面积获得;并且,采用这些衬底来生长GaN材料,有望将来GaN光电器件与成熟的Si和GaAs电子器件集成在一起。但是,由于Si衬底与GaN外延层之间巨大的晶格失配和热失配,这使Si衬底上的GaN材料产生大量的位错和裂纹,这为Si衬底上GaN的生长和研究设置了障碍。   硅衬底的优点: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。硅衬底垂直芯片采用银作为P电极,相比蓝宝石芯片采用ITO做P电极,导电性能提高了10倍以上,具有良好的电流扩散特性,具备低电压、高光效的特点,可以在大电流下工作。硅的导热系数是蓝宝石的5倍,良好的散热性使硅衬底LED具有高性能和长寿命。同时,硅衬底可以实现无损剥离,消除了衬底和氮化镓材料层的应力,硅衬底芯片具有N面朝上、单面出光无侧光、发光形貌为朗伯分布以及容易匹配二次光学的特点,更适合指向性照明。硅衬底大功率LED芯片非常适合陶瓷共晶封装。

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  硅衬底的不足:陶瓷共晶封装在行业内是高端的封装技术,要求高,难点多。

   其他衬底材料

   氮化镓衬底

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