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LED外延片

LED外延片襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料,需要不同的LED外延片生長技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù),襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。

LED外延生長的基本原理

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(tài)物質(zhì)In,Ga,Al,P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(shù)主要采用有機金屬化學(xué)氣相沉積方法。

外延片的生產(chǎn)制作過程是非常復(fù)雜,展完外延片,接下來就在每張外延片隨意抽取九點做測試,符合要求的就是良品,其它為不良品(電壓偏差很大,波長偏短或偏長等)。良品的外延片就要開始做電極(P極,N極),接下來就用激光切割外延片,然后百分百分撿,根據(jù)不同的電壓,波長,亮度進行全自動化分檢,也就是形成LED晶片(方片)。然后還要進行目測,把有一點缺陷或者電極有磨損的,分撿出來,這些就是后面的散晶。此時在藍膜上有不符合正常出貨要求的晶片,也就自然成了邊片或毛片等。不良品的外延片(主要是有一些參數(shù)不符合要求),就不用來做方片,就直接做電極(P極,N極),也不做分檢了,也就是目前市場上的LED大圓片。 

LED外延片襯底材料 

當前用于GaN基LED的襯底材料比較多,但是能用于商品化的襯底目前只有兩種,即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段,離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。   

一、紅黃光LED   

紅光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)為主,主要采用GaP和GaAs作為襯底,未產(chǎn)業(yè)化的還有藍寶石Al2O3和硅襯底。  

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(jié)構(gòu)。外延層生長在GaAs襯底上,由于晶格匹配,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(shù)被用于消除這種額外的技術(shù)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,波長范圍較寬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(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點,直接將LED結(jié)構(gòu)生長在透明襯底上,但缺點是晶格失配,需要利用緩沖層來生長InGaP和AlGaInP結(jié)構(gòu)。另外,GaP基的III-N-V材料系統(tǒng)也引起廣泛的興趣,這種材料結(jié)構(gòu)不但可以改變帶寬,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,并在紅光區(qū)域具有很強的發(fā)光效應(yīng)(650nm)。采用這樣的結(jié)構(gòu)制造LED,可以由GaNP 晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu),通過一步外延形成LED結(jié)構(gòu),并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復(fù)雜工藝。   

二、藍綠光LED   

用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種,即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。   

1、氮化鎵襯底:用于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(zhì),降低位元錯密度,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??墒?,制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,然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離后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(yōu)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(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。  

2、藍寶石Al2O3襯底:目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3,其優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)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(shù)所克服,導(dǎo)電性能差通過同側(cè)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(yīng)力因而不會龜裂。但是,差的導(dǎo)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。   

3、SiC襯底:除了Al2O3襯底外,目前用于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于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點,如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)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(zhì)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(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題,而是采用上下電極結(jié)構(gòu),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(zhì)的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。   

4、Si襯底:在硅襯底上制備發(fā)光二極體是本領(lǐng)域中夢寐以求的一件事情,因為一旦技術(shù)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(yōu)點,如晶體品質(zhì)高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而,由于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硅,所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級品質(zhì)的GaN材料。另外,由于硅襯底對光的吸收嚴重,LED出光效率低。   

5、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(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小,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(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料品質(zhì)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(dǎo)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)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(fā)光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV,屬直接帶隙,和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比,它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?,是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體雷射器的候選材料。ZnO材料的生長非常安全,可以采用沒有任何毒性的水為氧源,用有機金屬鋅為鋅源。   

6、ZnSe襯底:有人使用MBE在ZnSe襯底上生長ZnCdSe/ZnSe等材料,用于藍光和綠光LED器件,最先由住友公司推出,由于其不需要熒光粉就可以實現(xiàn)白光LED的目標,故可降低成品,同時電源回路構(gòu)造簡單,其操作電壓也比GaN白光LED低。但是其并沒有推廣,這是因為由于使用MOCVD,p型參雜沒有很好解決,試驗中需要用到Sb來參雜,所以一般采用MBE生長,同時其發(fā)光效率較低,,而且由于自補償效應(yīng)的影響,使得其性能不穩(wěn)定,器件壽命較短。   

實現(xiàn)發(fā)光效率的目標要寄希望于GaN襯底的LED,實現(xiàn)低成本,也要通過GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實現(xiàn),以及帶動的工藝技術(shù)的簡化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實,其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破,其產(chǎn)業(yè)化進程將會取得長足發(fā)展。 


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