节能新材料之半导体照明-衬底材料.doc

1、节能新材料之半导体照明氮 化 物 衬 底 材 料氮 化 物 衬 底 材 料 的 研 究 与 开 发 增 大 字 体 复 位 宽 带 隙 的 GaN 基 半 导 体 在 短 波 长 发光 二 极 管 、 激 光 器 和 紫 外 探 测 器 ， 以 及 高 温 微 电 子 器 件 方 面 显 示 出 广 阔 的 应 用 前 景 ； 对环 保 ， 其 还 是 很 适 合 于 环 保 的 材 料 体 系 。 半 导 体 照 明 产 业 发 展 分 类 所 示 的 若 干 主 要 阶 段， 其 每 个 阶 段 均 能 形 成 富 有 特 色 的 产 业 链 。 世 界 各 国 现 在 又 投 入 了 大

2、 量 的 人 力 、 财 力 和物 力 ， 以 期 望 取 得 GaN 基 高 功 率 器 件 的 突 破 ， 并 且 居 于 此 领 域 的 制 高 点 。 “氮 化 物 衬底 材 料 与 半 导 体 照 明 的 应 用 前 景 ”文 稿 介 绍 了 氮 化 物 衬 底 材 料 与 半 导 体 照 明 的 应 用 前 景的 部 分 内 容 。 GaN、 AlN、 InN 及 其 合 金 等 材 ， 是 作 为 新 材 料 的 GaN 系 材 料 。 对 衬 底 材 料 进 行评 价 要 就 衬 底 材 料 综 合 考 虑 其 因 素 ， 寻 找 到 更 加 合 适 的 衬 底 是 发 展 G

3、aN 基 技 术 的 重要 目 标 。 评 价 衬 底 材 料 要 综 合 考 虑 衬 底 与 外 延 膜 的 晶 格 匹 配 、 衬 底 与 外 延 膜 的 热 膨 胀 系数 匹 配 、 衬 底 与 外 延 膜 的 化 学 稳 定 性 匹 配 、 材 料 制 备 的 难 易 程 度 及 成 本 的 高 低 的 因 素 。InN 的 外 延 衬 底 材 料 就 现 在 来 讲 有 广 泛 应 用 的 。 自 支 撑 同 质 外 延 衬 底 的 研 制 对 发 展 自 主知 识 产 权 的 氮 化 物 半 导 体 激 光 器 、 大 功 率 高 亮 度 半 导 体 照 明 用 LED， 以 及

4、高 功 率 微波 器 件 等 是 很 重 要 的 。 “氮 化 物 衬 底 材 料 的 评 价 因 素 及 研 究 与 开 发 ”文 稿 介 绍 了 氮 化 物衬 底 材 料 的 评 价 因 素 及 研 究 与 开 发 的 部 分 内 容 。 氮 化 物 衬 底 材 料 与 半 导 体 照 明 的 应 用 前 景 GaN 是 直 接 带 隙 的 材 料 ， 其 光 跃 迁 几 率 比 间 接 带 隙 的 高 一 个 数 量 级 。 因 此 ， 宽 带隙 的 GaN 基 半 导 体 在 短 波 长 发 光 二 极 管 、 激 光 器 和 紫 外 探 测 器 ， 以 及 高 温 微 电 子 器 件

5、方 面 显 示 出 广 阔 的 应 用 前 景 ； 对 环 保 ， 其 还 是 很 适 合 于 环 保 的 材 料 体 系 。 1994 年 ， 日 本 的 Nicha 公 司 在 GaN/ l2O3 上 取 得 突 破 ， 1995 年 ， GaN 器 件第 一 次 实 现 商 品 化 。 1998 年 ， GaN 基 发 光 二 极 管 LED 市 场 规 模 为 US$5.0 亿 ， 2000 年 ， 市 场 规 模 扩 大 至 US$13 亿 。 据 权 威 专 家 的 预 计 ， GaN 基 LED 及 其 所 用 的 l2O3 衬 底 在 国 际 市 场 上 的 市 场 成 长 期

6、 将 达 到 50 年 之 久 。 GaN 基 LED 及 其 所 用 的 l2O3 衬 底 具 有 独 特 的 优 异 物 化 性 能 ， 并 且 具 有 长 久 耐 用 性 。 预 计 ， 2005 年 GaN 基器 件 的 市 场 规 模 将 扩 大 至 US$30 亿 ， GaN 基 器 件 所 用 的 l2O3 衬 底 的 市 场 规 模 将扩 大 至 US$5 亿 。 半 导 体 照 明 产 业 发 展 分 类 所 示 的 若 干 主 要 阶 段 ， 其 每 个 阶 段 均 能 形 成 富 有 特 色 的 产业 链 ： （ 1） 第 一 阶 段 第 一 阶 段 （ 特 种 照 明

7、时 代 ， 2005 年 之 前 ） ， 其 中 有 ： 仪 器 仪 表 指 示 ； 金 色 显 示 、室 内 外 广 告 ； 交 通 灯 、 信 号 灯 、 标 致 灯 、 汽 车 灯 ； 室 内 长 明 灯 、 吊 顶 灯 、 变 色 灯 、 草 坪灯 ； 城 市 景 观 美 化 的 建 筑 轮 廓 灯 、 桥 梁 、 高 速 公 路 、 隧 道 导 引 路 灯 ， 等 等 。 （ 2） 第 二 阶 段 第 二 阶 段 （ 照 明 时 代 ， 20052010 年 ） ， 其 中 有 ： CD、 DVD、H-DVD 光 存 储 ； 激 光 金 色 显 示 ； 娱 乐 、 条 型 码 、 打

8、 印 、 图 像 记 录 ； 医 用 激 光 ； 开 拓 固定 照 明 新 领 域 ， 衍 生 出 新 的 照 明 产 业 ， 为 通 用 照 明 应 用 打 下 基 础 ， 等 等 。 （ 3） 第 三阶 段 第 三 阶 段 （ 通 用 照 明 时 代 ， 2010 年 之 后 ） ， 包 括 以 上 二 个 阶 段 的 应 用 ， 并 且 还 全面 进 入 通 用 照 明 市 场 ， 占 有 3050%的 市 场 份 额 。 到 达 目 前 为 止 （ 处 于 第 一 阶 段 ， 特 种 照 明 时 代 ） ， 已 纷 纷 将 中 、 低 功 率 蓝 色 发光 二 极 管 (LED)、 绿

9、 色 LED、 白 光 LED、 蓝 紫 色 LED 等 实 现 了 量 产 ， 走 向 了 商 业 市场 。 高 功 率 蓝 色 发 光 二 极 管 (LED)、 激 光 二 极 管 (LD)和 全 波 段 InN-GaN 等 ， 将 会 引发 新 的 、 更 加 大 的 商 机 ， 例 如 ， 光 存 储 、 光 通 讯 等 。 实 现 高 功 率 蓝 色 发 光 二 极 管 (LED)、 激 光 二 极 管 (LD)和 全 波 段 InN-GaN 实 用 化 ， 并 且 达 到 其 商 品 化 ， 这 需 要 合 适 的 衬底 材 料 。 因 此 ， GaN 材 料 及 器 件 发 展

10、， 需 要 寻 找 到 与 GaN 匹 配 的 衬 底 材 料 ， 进 一 步提 高 外 延 膜 的 质 量 。 另 外 ， 就 基 础 研 究 和 中 长 期 计 划 考 虑 ， 科 技 发 展 越 来 越 需 要 把 不 同 体 系 的 材 料 结 合到 一 起 ， 即 称 之 为 异 质 结 材 料 。 应 用 协 变 衬 底 可 以 将 晶 格 和 热 失 配 的 缺 陷 局 限 在 衬 底 上， 并 且 为 开 辟 新 的 材 料 体 系 打 下 基 础 。 已 提 出 了 多 种 协 变 衬 底 的 制 备 技 术 ， 例 如 ， 自 支撑 衬 底 、 键 合 和 扭 曲 键 合

11、、 重 位 晶 格 过 渡 层 ， 以 及 SOI 和 VTE 衬 底 技 术 等 。 预 计 ，在 今 后 的 1020 年 中 ， 大 尺 寸 的 、 协 变 衬 底 的 制 备 技 术 将 获 得 突 破 ， 并 且 广 泛 应 用 于大 失 配 异 质 结 材 料 生 长 及 其 相 联 系 的 光 电 子 器 件 制 造 。 世 界 各 国 现 在 又 投 入 了 大 量 的 人 力 、 财 力 和 物 力 ， 并 且 以 期 望 取 得 GaN 基 高 功率 器 件 的 突 破 ， 居 于 此 领 域 的 制 高 点 。 氮 化 物 衬 底 材 料 的 评 价 因 素 及 研 究

12、与 开 发 GaN、 AlN、 InN 及 其 合 金 等 材 料 ， 是作 为 新 材 料 的 GaN 系 材 料 。 对 衬 底 材 料 进 行 评 价 ， 要 就 衬 底 材 料 综 合 考 虑 其 因 素 ， 寻找 到 更 加 合 适 的 衬 底 是 作 为 发 展 GaN 基 技 术 的 重 要 目 标 。 一 、 评 价 衬 底 材 料 综 合 考 虑 因 素 评 价 衬 底 材 料 要 综 合 考 虑 以 下 的 几 个 因 素 ： （ 1） 衬 底 与 外 延 膜 的 晶 格 匹 配 衬 底 材 料 和 外 延 膜 晶 格 匹 配 很 重 要 。 晶 格 匹 配 包 含 二 个

13、 内 容 ： 外 延 生 长 面 内 的 晶 格 匹 配 ， 即 在 生 长 界 面 所 在 平 面 的 某 一 方 向 上 衬 底 与 外 延 膜 的匹 配 ； 沿 衬 底 表 面 法 线 方 向 上 的 匹 配 。 （ 2） 衬 底 与 外 延 膜 的 热 膨 胀 系 数 匹 配 热 膨 胀 系 数 的 匹 配 也 很 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

14、学 稳 定 性 匹 配 衬 底 材 料 需 要 有 相 当 好 的 化 学 稳 定 性 ， 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 ， 而 且 其 成 本 不 宜 很 高 。 二 、 InN 的 外 延 衬 底 材 料 的 研 究 与 开 发 InN 的 外 延 衬 底 材 料 就 现 在 来 讲 有 广 泛 应 用 的 ， 其 中 有 ： InN； Al2O3(0001)； 6H-SiC

15、； MgAl2O4(111)； LiAlO2 和 LiGaO2； MgO； Si； GaAs(111)等 。 - 族 化 合 物 ， 例 如 ， GaN、 AlN、 InN， 这 些 材 料 都 有 二 种 结 晶 形 式 ： 一 种 是 立方 晶 系 的 闪 锌 矿 结 构 ， 而 另 一 种 是 六 方 晶 系 的 纤 锌 矿 结 构 。 以 蓝 光 辐 射 为 中 心 形 成 研 究热 点 的 是 纤 锌 矿 结 构 的 氮 化 镓 、 氮 化 铝 、 氮 化 铟 ， 而 且 主 要 是 氮 化 镓 、 氮 化 铝 、 氮 化铟 的 固 溶 体 。 这 些 材 料 的 禁 带 是 直 接

16、 跃 迁 型 ， 因 而 有 很 高 的 量 子 效 率 。 用 氮 化 镓 、 氮 化铝 、 氮 化 铟 这 三 种 材 料 按 不 同 组 份 和 比 例 生 成 的 固 溶 体 ， 其 禁 带 宽 度 可 在 2.2eV 到6.2eV 之 间 变 化 。 这 样 ， 用 这 些 固 溶 体 制 造 发 光 器 件 ， 是 光 电 集 成 材 料 和 器 件 发 展 的方 向 。 （ 1） InN 和 GaN 因 为 异 质 外 延 氮 化 物 薄 膜 通 常 带 来 大 量 的 缺 陷 ， 缺 陷 损 害 了 器 件 的 性 能 。 与 GaN 一 样 ， 如 果 能 在 InN 上 进

17、 行 同 质 外 延 生 长 ， 可 以 大 大 减 少 缺 陷 ， 那 么 器 件 的 性 能 就有 巨 大 的 飞 跃 。 自 支 撑 同 质 外 延 GaN,AlN 和 AlGaN 衬 底 是 目 前 最 有 可 能 首 先 获 得 实 际 应 用 的 衬底 材 料 。 （ 2） 蓝 宝 石 (-Al2O3)和 6H-SiC -Al2O3 单 晶 ， 即 蓝 宝 石 晶 体 。 (0001)面 蓝 宝 石 是 目 前 最 常 用 的 InN 的 外 延 衬 底材 料 。 其 匹 配 方 向 为 ： InN(001)/ Al2O3(001),InN110/ Al2O310011,12。因

18、为 衬 底 表 面 在 薄 膜 生 长 前 的 氮 化 中 变 为 AlON,InN 绕 Al2O3(0001)衬 底 的 六 面形 格 子 结 构 旋 转 30， 这 样 其 失 匹 配 度 就 比 原 来 的 29%稍 有 减 少 。 虽 然 (0001)面 蓝宝 石 与 InN 晶 格 的 失 配 率 高 达 25%， 但 是 由 于 其 六 方 对 称 ， 熔 点 为 2050 ， 最 高 工作 温 度 可 达 1900 ， 具 有 良 好 的 高 温 稳 定 性 和 机 械 力 学 性 能 ， 加 之 对 其 研 究 较 多 ， 生产 技 术 较 为 成 熟 ， 而 且 价 格 便

19、宜 ， 现 在 仍 然 是 应 用 最 为 广 泛 的 衬 底 材 料 。 6H-SiC 作 为 衬 底 材 料 应 用 的 广 泛 程 度 仅 次 于 蓝 宝 石 。 同 蓝 宝 石 相 比 ， 6H-SiC与 InN 外 延 膜 的 晶 格 匹 配 得 到 改 善 。 此 外 ， 6H-SiC 具 有 蓝 色 发 光 特 性 ， 而 且 为 低 阻材 料 ， 可 以 制 作 电 极 ， 这 就 使 器 件 在 包 装 前 对 外 延 膜 进 行 完 全 测 试 成 为 可 能 ， 因 而 增 强了 6H-SiC 作 为 衬 底 材 料 的 竞 争 力 。 又 由 于 6H-SiC 的 层

20、状 结 构 易 于 解 理 ， 衬 底 与 外延 膜 之 间 可 以 获 得 高 质 量 的 解 理 面 ， 这 将 大 大 简 化 器 件 的 结 构 ； 但 是 同 时 由 于 其 层 状 结构 ， 在 衬 底 的 表 面 常 有 给 外 延 膜 引 入 大 量 的 缺 陷 的 台 阶 出 现 。 （ 3） 镁 铝 尖 晶 石 (MgAl2O4) MgAl2O4 晶 体 ， 即 铝 酸 镁 晶 体 。 MgAl2O4 晶 体 是 高 熔 点 (2130 )、 高 硬 度 （ 莫氏 8 级 ） 的 晶 体 材 料 ， 属 面 心 立 方 晶 系 ， 空 间 群 为 Fd3m,晶 格 常 数

21、为 0.8085nm。 MgAl2O4 晶 体 是 优 良 的 传 声 介 质 材 料 ， 在 微 波 段 的 声 衰 减 低 ， 用 MgAl2O4 晶 体 制 作的 微 波 延 迟 线 插 入 损 耗 小 。 MgAl2O4 晶 体 与 Si 的 晶 格 匹 配 性 能 好 ， 其 膨 胀 系 数 也 与Si 相 近 ， 因 而 外 延 Si 膜 的 形 变 扭 曲 小 ， 制 作 的 大 规 模 超 高 速 集 成 电 路 速 度 比 用 蓝 宝 石制 作 的 速 度 要 快 。 此 外 ， 国 外 又 用 MgAl2O4 晶 体 作 超 导 材 料 ， 有 很 好 的 效 果 。 近

22、年来 ， 对 MgAl2O4 晶 体 用 于 GaN 的 外 延 衬 底 材 料 研 究 较 多 。 由 于 MgAl2O4 晶 体 具 有良 好 的 晶 格 匹 配 和 热 膨 胀 匹 配 ， (111)面 MgAl2O4 晶 体 与 GaN 晶 格 的 失 配 率 为 9%， 具 有 优 良 的 热 稳 定 性 和 化 学 稳 定 性 ， 以 及 良 好 的 机 械 力 学 性 能 等 优 点 ， MgAl2O4晶 体 目 前 是 GaN 较 为 合 适 的 衬 底 材 料 之 一 ， 已 在 MgAl2O4 基 片 上 成 功 地 外 延 出 高 质量 的 GaN 膜 ， 并 且 已 研

23、 制 成 功 蓝 光 LED 和 LD。 此 外 ， MgAl2O4 衬 底 最 吸 引 人 之 处在 于 可 以 通 过 解 理 的 方 法 获 得 激 光 腔 面 。 在 前 面 的 研 究 基 础 上 ， 近 来 把 MgAl2O4 晶 体 用 作 InN 的 外 延 衬 底 材 料 的 研 究 也陆 续 见 之 于 文 献 报 道 。 其 之 间 的 匹 配 方 向 为 ： InN(001)/MgAl2O4(111)， InN110/MgAl2O4100， InN 绕 MgAl2O4(111)衬 底 的 四 方 、 六 方 形 格 子 结 构 旋 转 30。 研 究表 明 (111)面

24、 MgAl2O4 晶 体 与 InN 晶 格 的 失 配 率 为 15%， 晶 格 匹 配 性 能 要 大 大 优 于蓝 宝 石 ， (0001)面 蓝 宝 石 与 InN 晶 格 的 失 配 率 高 达 25%。 而 且 ， 如 果 位 于 顶 层 氧 原 子层 下 面 的 镁 原 子 占 据 有 效 的 配 位 晶 格 位 置 ， 以 及 氧 格 位 ， 那 么 这 样 可 以 有 希 望 将 晶 格 失配 率 进 一 步 降 低 至 7%， 这 个 数 字 要 远 远 低 于 蓝 宝 石 。 所 以 MgAl2O4 晶 体 是 很 有 发展 潜 力 的 InN 的 外 延 衬 底 材 料

25、 。 （ 4） LiAlO2 和 LiGaO2 以 往 的 研 究 是 把 LiAlO2 和 LiGaO2 用 作 GaN 的 外 延 衬 底 材 料 。 LiAlO2 和 LiGaO2 与 GaN 的 外 延 膜 的 失 配 度 相 当 小 ， 这 使 得 LiAlO2 和 LiGaO2 成 为 相 当 合 适 的 GaN 的 外 延 衬 底 材 料 。 同 时 LiGaO2 作 为 GaN 的 外 延 衬 底 材 料 ,还 有 其 独 到 的 优 点 ：外 延 生 长 GaN 后 ， LiGaO2 衬 底 可 以 被 腐 蚀 ， 剩 下 GaN 外 延 膜 ， 这 将 极 大 地 方 便

26、了器 件 的 制 作 。 但 是 由 于 LiGaO2 晶 体 中 的 锂 离 子 很 活 泼 ， 在 普 通 的 外 延 生 长 条 件 下 （例 如 ， MOCVD 法 的 化 学 气 氛 和 生 长 温 度 ） 不 能 稳 定 存 在 ， 故 其 单 晶 作 为 GaN 的 外延 衬 底 材 料 还 有 待 于 进 一 步 研 究 。 而 且 在 目 前 也 很 少 把 LiAlO2 和 LiGaO2 用 作 InN的 外 延 衬 底 材 料 。 （ 5） MgO MgO 晶 体 属 立 方 晶 系 ， 是 NaCl 型 结 构 ， 熔 点 为 2800 。 因 为 MgO 晶 体 在

27、MOCVD 气 氛 中 不 够 稳 定 ， 所 以 对 其 使 用 少 ， 特 别 是 对 于 熔 点 和 生 长 温 度 更 高 的 InN薄 膜 。 （ 6） GaAs GaAs(111)也 是 目 前 生 长 InN 薄 膜 的 衬 底 材 料 。 衬 底 的 氮 化 温 度 低 于 700 时 ，生 长 InN 薄 膜 的 厚 度 小 于 0.05m 时 ， InN 薄 膜 为 立 方 结 构 ， 当 生 长 InN 薄 膜 的 厚 度超 过 0.2m 时 ， 立 方 结 构 消 失 ， 全 部 转 变 为 六 方 结 构 的 InN 薄 膜 。 InN 薄 膜 在 GaAs(111)

28、 衬 底 上 的 核 化 方 式 与 在 Al2O3(001)衬 底 上 的 情 况 有 非 常 大 的 差 别 ， InN 薄 膜在 GaAs(111)衬 底 上 的 核 化 方 式 没 有 在 白 宝 石 衬 底 上 生 长 InN 薄 膜 时 出 现 的 柱 状 、纤 维 状 结 构 ， 表 面 上 显 现 为 非 常 平 整 。 （ 7） Si 单 晶 Si， 是 应 用 很 广 的 半 导 体 材 料 。 以 Si 作 为 InN 衬 底 材 料 是 很 引 起 注 意 的 ，因 为 有 可 能 将 InN 基 器 件 与 Si 器 件 集 成 。 此 外 ， Si 技 术 在 半

29、导 体 工 业 中 已 相 当 的 成熟 。 可 以 想 象 ， 如 果 在 Si 的 衬 底 上 能 生 长 出 器 件 质 量 的 InN 外 延 膜 ， 这 样 则 将 大 大简 化 InN 基 器 件 的 制 作 工 艺 ， 减 小 器 件 的 大 小 。 （ 8） ZrB2 ZrB2 是 2001 年 日 本 科 学 家 首 次 提 出 用 于 氮 化 物 外 延 新 型 衬 底 。 ZrB2 与 氮 化 物晶 格 匹 配 ， 而 且 其 具 有 匹 配 的 热 膨 胀 系 数 和 高 的 电 导 率 。 主 要 用 助 熔 剂 法 和 浮 区 法 生 长。 自 支 撑 同 质 外

30、延 衬 底 的 研 制 对 发 展 自 主 知 识 产 权 的 氮 化 物 半 导 体 激 光 器 、 大 功 率 高亮 度 半 导 体 照 明 用 LED， 以 及 高 功 率 微 波 器 件 等 是 很 重 要 的 。 衬 底 材 料 的 选 用对 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

31、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

32、做 成的 LED 芯 片 。 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 1011cm， 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

33、 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 ，

34、 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 100 约 为 25W/（ mK） ） 。

35、 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

36、） 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

37、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 。 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

38、)） 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

39、。 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 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

40、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

41、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

42、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 。 氮 化 镓 ： 用 于 GaN 生 长 的 最 理 想 衬 底 是 GaN 单 晶 材 料 ， 可 以 大 大 提 高 外 延 膜 的 晶 体 质 量， 降 低 位 错 密 度 ， 提 高 器 件 工 作 寿 命 ， 提 高 发 光 效 率 ， 提 高 器 件 工 作 电 流 密 度 。 但 是 制备 GaN 体 单 晶 非 常 困 难 ， 到 目 前 为 止 还

43、 未 有 行 之 有 效 的 办 法 。 氧 化 锌 ： ZnO 之 所 以 能 成 为 GaN 外 延 的 候 选 衬 底 ， 是 因 为 两 者 具 有 非 常 惊 人 的 相 似 之 处 。两 者 晶 体 结 构 相 同 、 晶 格 识 别 度 非 常 小 ， 禁 带 宽 度 接 近 （ 能 带 不 连 续 值 小 ， 接 触 势 垒 小） 。 但 是 ， ZnO 作 为 GaN 外 延 衬 底 的 致 命 弱 点 是 在 GaN 外 延 生 长 的 温 度 和 气 氛 中易 分 解 和 腐 蚀 。 目 前 ， ZnO 半 导 体 材 料 尚 不 能 用 来 制 造 光 电 子 器 件

44、或 高 温 电 子 器 件 ，主 要 是 材 料 质 量 达 不 到 器 件 水 平 和 P 型 掺 杂 问 题 没 有 得 到 真 正 解 决 ， 适 合 ZnO 基 半导 体 材 料 生 长 的 设 备 尚 未 研 制 成 功 。 蓝 宝 石 ： 用 于 GaN 生 长 最 普 遍 的 衬 底 是 Al2O3。 其 优 点 是 化 学 稳 定 性 好 ， 不 吸 收 可 见 光、 价 格 适 中 、 制 造 技 术 相 对 成 熟 。 导 热 性 差 虽 然 在 器 件 小 电 流 工 作 中 没 有 暴 露 明 显 不 足， 却 在 功 率 型 器 件 大 电 流 工 作 下 问 题 十

45、 分 突 出 。 碳 化 硅 ： SiC 作 为 衬 底 材 料 应 用 的 广 泛 程 度 仅 次 于 蓝 宝 石 ， 目 前 还 没 有 第 三 种 衬 底 用 于GaNLED 的 商 业 化 生 产 。 SiC 衬 底 有 化 学 稳 定 性 好 、 导 电 性 能 好 、 导 热 性 能 好 、 不 吸收 可 见 光 等 ， 但 不 足 方 面 也 很 突 出 ， 如 价 格 太 高 ， 晶 体 质 量 难 以 达 到 Al2O3 和 Si 那么 好 、 机 械 加 工 性 能 比 较 差 ， 另 外 ， SiC 衬 底 吸 收 380 纳 米 以 下 的 紫 外 光 ， 不 适 合 用来 研 发 380 纳 米 以 下 的 紫 外 LED。 由 于 SiC 衬 底 有 益 的 导 电 性 能 和 导 热 性 能 ， 可 以较 好 地 解 决 功 率 型 GaNLED 器 件 的 散 热 问 题 ， 故 在 半 导 体 照 明 技 术 领 域 占 重 要 地 位 。 同 蓝 宝 石 相 比 ， SiC 与 GaN 外 延 膜 的 晶 格 匹 配 得 到 改 善 。 此 外 ， SiC 具 有 蓝 色发 光 特 性 ， 而 且 为 低 阻 材 料 ， 可 以 制 作