蓝宝石衬底.doc

文档介绍：------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————蓝宝石衬底展开对于制作 LED 芯片来说,衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该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。目前市面上一般有三种材料可作为衬底: 〃蓝宝石( Al2O3 ) 、硅( Si) 、碳化硅( Sic ) 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 1011 Ω〃 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 400 μm减到 100 μm 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 100 ℃约为 25W/ (m〃K)) 。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 1 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,有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的 LED 芯片如图 2 所示。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。除了以上三种常用的衬底材料之外, 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。衬底材料的评价 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 、