LED外延片

LED外延片是一塊加熱至適當溫度的襯底基片，材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術、晶片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。

基本介紹

• 中文名：LED外延片
• 外文名：LED Epitaxial Wafer
• 採用技術：有機金屬化學氣相沉積方法MOCVD
• 特點：結構特性好
• 簡介：一塊加熱至適當溫度的襯底基片

簡介

LED外延片生長的基本原理是：在一塊加熱至適當溫度的襯底基片(主要有藍寶石和、SiC、Si)上，氣態物質InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術主要採用有機金屬化學氣相沉積方法。

LED外延片襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術、晶片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。

LED外延片襯底材料選擇特點：

1、結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小

2、界面特性好，有利於外延材料成核且黏附性強

3、化學穩定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕

4、熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小

5、導電性好，能製成上下結構6、光學性能好，製作的器件所發出的光被襯底吸收小

7、機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等

8、價格低廉。

9、大尺寸，一般要求直徑不小於2英吋。

10、容易得到規則形狀襯底(除非有其他特殊要求)，與外延設備托盤孔相似的襯底形狀才不容易形成不規則渦流，以至於影響外延質量。

11、在不影響外延質量的前提下，襯底的可加工性儘量滿足後續晶片和封裝加工工藝要求。

襯底的選擇要同時滿足以上十一個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用於氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用於生產的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化矽SiC襯底。表2-4對五種用於氮化鎵生長的襯底材料性能的優劣進行了定性比較。

LED外延片的襯底材料考慮的因素：

1、襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低;

2、襯底與外延膜的熱膨脹係數匹配：熱膨脹係數的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹係數上相差過大不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由於發熱而造成器件的損壞;

3、襯底與外延膜的化學穩定性匹配：襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降;

4、材料製備的難易程度及成本的高低：考慮到產業化發展的需要，襯底材料的製備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小於2英寸。

目前LED外延片襯底材料

當前用於GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用於商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化矽襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處於研發階段，離產業化還有一段距離。

發展

LED外延片是指在一塊加熱至適當溫度的襯底基片（主要有藍寶石、SiC、Si等）上所生長出的特定單晶薄膜。外延片處於LED產業鏈中的上游環節，是半導體照明產業技術含量最高、對最終產品品質、成本控制影響最大的環節。

近年來，下游套用市場的繁榮帶動我國LED產業迅猛發展，外延片市場也迎來發展良機。國內LED外延片產能快速提升，技術水平不斷進步，產品已開始進入中高檔次。在晶片市場供貨偏緊和各地政策支持力度加大的背景下，2011年我國LED外延片產能繼續擴張。在區域分布上，我國LED外延片企業主要集中在閩三角地區、環渤海灣地區和珠三角地區。

外延片是LED核心器件中的前端高技術產品，我國在這一領域的企業競爭目前仍處於“藍海”階段。國內外延片市場的基本格局是外資企業產品技術占據主導，本土廠商逐步崛起。為進一步完善LED產業鏈，“十二五”期間各級政府將繼續加強對上游外延片領域基礎研究的投入，中下游企業也在積極向上游拓展，國內LED外延片市場發展前景樂觀。

紅黃光

紅光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)為主，主要採用GaP和GaAs作為襯底，未產業化的還有藍寶石Al2O3和矽襯底。

1、GaAs襯底：在使用LPE生長紅光LED時，一般使用AlGaAs外延層，而使用MOCVD生長紅黃光LED時，一般生長AlInGaP外延結構。外延層生長在GaAs襯底上，由於晶格匹配，容易生長出較好的材料，但缺點是其吸收這一波長的光子，布拉格反射鏡或晶片鍵合技術被用於消除這種額外的技術問題。

2、GaP襯底：在使用LPE生長紅黃光LED時，一般使用GaP外延層，波長範圍較寬565-700nm;使用VPE生長紅黃光LED時，生長GaAsP外延層，波長在630-650nm 之間;而使用MOCVD時，一般生長AlInGaP外延結構，這個結構很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點，直接將LED結構生長在透明襯底上，但缺點是晶格失配，需要利用緩衝層來生長InGaP和AlGaInP結構。另外，GaP基的III-N-V材料系統也引起廣泛的興趣，這種材料結構不但可以改變頻寬，還可以在只加入0.5 %氮的情況下，帶隙的變化從間接到直接，並在紅光區域具有很強的發光效應(650nm)。採用這樣的結構製造LED，可以由GaNP 晶格匹配的異質結構，通過一步外延形成LED結構，並省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的複雜工藝。

藍綠光

用於氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用於生產的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化矽SiC襯底。

氮化鎵襯底

用於氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延片膜的晶體品質，降低位元錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度。可是，製備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜，然後通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離後的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度要明顯低;但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制。

LED外延片

藍寶石Al2O3襯底

目前用於氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3，其優點是化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、製造技術相對成熟;不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服，導電性能差通過同側P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過雷射劃片所克服，很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是，差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

SiC襯底

除了Al2O3襯底外，目前用於氮化鎵生長襯底就是SiC，它在市場上的占有率位居第2，目前還未有第三種襯底用於氮化鎵LED的商業化生產。它有許多突出的優點，如化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體品質難以達到Al2O3和Si那麼好、機械加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來研發380 nm以下的紫外LED。由於SiC襯底優異的的導電性能和導熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件採用倒裝焊技術解決散熱問題，而是採用上下電極結構，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前國際上能提供商用的高品質的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。

Si襯底

在矽襯底上製備發光二極體是本領域中夢寐以求的一件事情，因為一旦技術獲得突破，外延片生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優點，如晶體品質高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。然而，由於GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化矽，所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級品質的GaN材料。另外，由於矽襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。

ZnO襯底

之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底，是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格失配度非常小，禁頻寬度接近(能帶不連續值小，接觸勢壘小)。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來製造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料品質達不到器件水準和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研製成功。今後研發的重點是尋找合適的生長方法。但是，ZnO本身是一種有潛力的發光材料。 ZnO的禁頻寬度為3.37 eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發展潛力最大，是高效紫光發光器件、低閾值紫光半導體雷射器的候選材料。ZnO材料的生長非常安全，可以採用沒有任何毒性的水為氧源，用有機金屬鋅為鋅源。

ZnSe襯底

有人使用MBE在ZnSe襯底上生長ZnCdSe/ZnSe等材料，用於藍光和綠光LED器件，最先由住友公司推出，由於其不需要螢光粉就可以實現白光LED的目標，故可降低成品，同時電源迴路構造簡單，其操作電壓也比GaN白光LED低。但是其並沒有推廣，這是因為由於使用MOCVD，p型參雜沒有很好解決，試驗中需要用到Sb來參雜，所以一般採用MBE生長，同時其發光效率較低，，而且由於自補償效應的影響，使得其性能不穩定，器件壽命較短。

實現發光效率的目標要寄希望於GaN襯底的LED，實現低成本，也要通過GaN襯底導致高效、大面積、單燈大功率的實現，以及帶動的工藝技術的簡化和成品率的大大提高。半導體照明一旦成為現實，其意義不亞於愛迪生發明白熾燈。一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產業化進程將會取得長足發展