LED襯底材料大全：

LED襯底材料的概念、作用、種類及性能比較

概念：

襯底又稱基板，也有稱之為支撐襯底。

作用：

襯底主要是外延層生長的基板，在生產和制作過程中，起到支撐和固定的作用。且與外延層的特性配合要求比較嚴格，否則會影響力到外延層的生長或是芯片的品質。

LED襯底材料的種類

目前市面上GaN基系列一般有三種材料可作為襯底：藍寶石(Al2O3);硅(Si);碳化硅(SiC)。

除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAs、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據設計的需要選擇使用。

1、藍寶石襯底

通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。

優(yōu)點：

藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好

藍寶石的穩(wěn)定性很好能夠運用在高溫生長過程中

藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗

缺點

晶格失配和熱應力失配，導致外延層中產生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難;

藍寶石是絕緣體，電阻率大于1011Ω·cm，無法制作垂直結構的器件;

在外延層上表面制作n型和p型電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻藝過程，使材料利用率降低、成本增加;

藍寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，需要的對它進行薄和切割，又增加一筆較大的投資;

藍寶石的導熱性能不是很好

2、硅襯底

目前有部分LED芯片采用硅襯底。

硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸(Lateral-contact , 水平接觸)和V接觸(Vertical-contact，垂直接觸)，簡稱為L型電極和V型電極。

通過這兩種接觸方式，LED芯片內部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。

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。

3、碳化硅襯底

SiC是IV-IV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的穩(wěn)定固態(tài)化合物，一種重要的半導體材料。

具有優(yōu)良的熱學、力學、化學和電學性質，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時又可以用作基于GaN的藍色發(fā)光二極管的襯底材料。

帶寬隙半導體材料SiC所制功率器件可以承受更高電壓、更大電流、耗盡層可以做的更薄，因而工作速度更快，可使器件體積更小、重量更輕。

碳化硅襯底的導熱性能(碳化硅的導熱系數為490W/(m·K))要比藍寶石襯底高出10倍 以上;

使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器 件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出;同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。

但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現其商業(yè)化還需要降低相應的成本。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。

4、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。

但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。

5、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。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘小)。

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。

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型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。

6、襯底的性能比較

(1)藍寶石、硅和碳化硅三種襯底的性能比較

(2)用于氮化鎵生長的襯底材料性能優(yōu)劣比較

現在GaN基led燈珠使用的基板材料比較多，用于商品化的基板有藍寶石和碳化硅基板兩種。其他的例如GaN、Si、ZnO基板還處于研究開發(fā)階段，離產業(yè)化還有距離。

氮化鎵（GaN）

GaNled燈珠用于生長的最理想的基板是GaN單晶體材料，能夠大幅度地推進外延膜的結晶質量，位錯密度，能夠降低前進元件工作壽命、前進發(fā)光功率、前進元件工作電流密度。但是GaN體制備單個晶體非常困難，到目前為止沒有有效的方法。

藍寶石Al2O3

GaNled燈珠在生長中最廣泛使用的基板是Al2O3。其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好，不吸收可見光，價格適中，制作技術比較舊。導熱性差的話，在元件小電流工作中沒有明顯的缺陷，但是在功率型元件大電流工作中問題非常好。

碳化硅SiC

SiC作為基板材料使用的面積僅次于藍寶石，現在沒有用于GaNled燈珠商業(yè)化的第三基板。

SiC基板的化學穩(wěn)定性好，導電性好，導熱性好，不吸收可見光等缺點也很好，但是價格太高，結晶質量不好Al2O3和Si，機械加工功能差，其他SiC基板吸收380納米以下的紫外線不適合開發(fā)380納米以下的紫外線LED。

SiC由于基板的有利導電性和導熱性，能夠更好地處理功率型GaNled燈珠裝置的散熱問題，因此在半導體照明技術領域占據重要的方向

與藍寶石相比，SiC和GaN外延膜的晶格匹配得到改善。另外，SiC具有藍色發(fā)光特性，且是低電阻材料，能夠制作電極，能夠在封裝前對外延材料進行完全檢查，SiC提高了作為基板材料的競爭力。

由于能夠容易地理解SiC的層狀結構，所以能夠在基板和外延膜之間獲得高質量的解理面，這大大簡化元件的結構。然而，由于它們的層狀結構，經常出現在襯底表面上引入許多缺陷的臺階。

氧化鋅（ZnO

ZnO能夠成為GaNled燈珠外延的候補基板是因為兩者具有令人吃驚的類似點。兩者的晶體結構相同，晶格識別度非常小，禁止帶寬接近（帶不連續(xù)值小，接觸屏障小）。然而，ZnO作為外延基板的GaN創(chuàng)傷缺陷容易在GaNled燈珠外延生長的溫度和環(huán)境中分解和腐蝕。

目前，ZnO半導體材料不能用于光電子器件和高溫電子器件的制造，主要沒有實際處理材料質量達不到設備水的陡峭的p型摻雜問題，ZnO適合于基礎半導體材料的生長的設備開發(fā)不成功。