LED衬底材料的选用

1、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（AI2O3）硅（Si）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。NiSil透明导也层H槪电极 LiGaNGaN发光层耳带GaN接植*低袒口亦井延

2、层S5宝石蔓板（h） LED结构團opt cwn图1蓝宝石作为衬底的 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ioiicm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

3、明电极一般要吸收约30%40%勺光，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

4、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

5、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。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。表1三种衬底材料的性能比较專鴨蹊败* w/（m * K）*；-Q定性成本ESC11 AIjO 丨461咅般般it