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        如何選擇LED襯底材料

           日期:2013-01-05     來源:中國測控網    

        對于制作LED芯片來說,襯底材料的選用是首要考慮的問題。應該采用哪種合適的襯底,需要根據設備和LED器件的要求進行選擇。   目前市面上一般有三種材料可作為襯底:

        ·藍寶石(Al2O3)

        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。藍寶石襯底有許多的優點:首先,藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好;其次,藍寶石的穩定性很好,能夠運用在高溫生長過程中;最后,藍寶石的機械強度高,易于處理和清洗。因此,大多數工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖1示例了使用藍寶石襯底做成的LED芯片。圖1藍寶石作為襯底的LED芯片使用藍寶石作為襯底也存在一些問題,例如晶格失配和熱應力失配,這會在外延層中產生大量缺陷,同時給后續的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體,常溫下的電阻率大于1011Ω·cm,在這種情況下無法制作垂直結構的器件;通常只在外延層上表面制作n型和p型電極(如圖1所示)。在上表面制作兩個電極,造成了有效發光面積減少,同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程,結果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難,當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法,使電流擴散,以達到均勻發光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光,同時GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高,不容易對其進行刻蝕,因此在刻蝕過程中需要較好的設備,這將會增加生產成本。藍寶石的硬度非常高,在自然材料中其硬度僅次于金剛石,但是在LED器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割(從400nm減到100nm左右)。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。藍寶石的導熱性能不是很好(在100℃約為25W/(m·K))。因此在使用LED器件時,會傳導出大量的熱量;特別是對面積較大的大功率器件,導熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難,很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上,從而改善導熱和導電性能。

        ·硅(Si)

        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(Laterial-contact,水平接觸)和V接觸(Vertical-contact,垂直接觸),以下簡稱為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。

        ·碳化硅(SiC)

        碳化硅襯底碳化硅襯底(美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底)的LED芯片電極是L型電極,電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好,有利于做成面積較大的大功率器件。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。圖2采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片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。藍寶石本身是熱的不良導體,并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶,這種銀膠的傳熱性能也很差。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,實現其商業化還需要降低相應的成本。

        三種襯底的性能比較前面的內容介紹的就是制作LED芯片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。表1三種襯底材料的性能比較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。


         
        標簽: LED芯片 LED襯底
          
          
          
          
         
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