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1、LED 芯片常用衬底材料选用比较1.蓝宝石(A12O3)2. 硅 (Si)3. 碳化硅( SiC)蓝宝石衬底通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝 石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后， 蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图 1 示例了使用蓝 宝石衬底做成的 LED 芯片。打14渦a N外延展(b) LED结构関扭电披猛整石基板n型电fitVP翹电极二附执血明导电层一 一卜InGa/GaN 光层n型SN接鮭卩型电槌心紬粒外观图 1 蓝宝石作为衬底
2、的 LED 芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷， 同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Q·cm,在 这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上 表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材 料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方 法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%40%的光，同时GaN基 材料
3、的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会 增加生产成本。蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它 进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。蓝宝石的导热性能不是很好（在100C约为25W/ （mK）。因此在使用LED器件时，会传导出大量 的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很 多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。硅衬底目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬
4、底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-cONtact，水平接触）和V接触（Vertical-contact,垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。 通过这两种接触方式， LED 芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向 流动，因此增大了 LED的发光面积，从而提高了 LED的出光效率。因为硅是热的良导体，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。碳化硅衬底碳化硅衬底（美国的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
5、大的大功率器件。采 用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。Ip Mw/lg 点匸辔严锻戡JU：中血扱LU）联川ft GaN lljliir?4Jfli|iiHLibU團 Ip ChNfMjO M 11鯉处I療晶 (Mil 屈 flrzMN以”卄叩 创*乐，_ .ip SlCV A1, | XJn, ltK( Mi-1 “ |Ff“1冈测込切吨就“m童忧圧ii材册加4,i-iiftt图 2 采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的 LED 芯片碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/（mK）要比蓝宝石衬底高出10倍以上。蓝宝石 本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热
6、性能也很差。使用碳化 硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同 时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对 于蓝宝石衬底而言，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。三种衬底的性能比较前面的内容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见表1。衬底樹料导梆乘數 rw/(m K*X10E-6)肆以性ESD1苴宣石 tAijOj)44,一艇I It (Si):t50低好-化耐(SiC)490-4.4良好ESD抗静电能力eeQoc茹库除了以上三种常用的
7、衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需 要选择使用。衬底材料的*价1衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性 能好、缺陷密度低；2衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上 相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；3衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易 分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；4材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不 宜很高。衬底尺寸一般不小于 2 英寸。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两种，即蓝宝石和碳化 硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。
