碳化硅具有熱導率高（比硅高3倍）、與氮化鎵晶格失配小（4％）等優(yōu)勢，非常適合用作新一代發(fā)光二極管（LED）襯底材料。在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中將碳化硅列為“新一代信息功能材料及器件”，在《中國制造2025》中明確大尺寸碳化硅單晶襯底為“關鍵戰(zhàn)略材料”“先進半導體材料”。可以毫不夸張地說，碳化硅已成為全球半導體產(chǎn)業(yè)的前沿和制高點。從整體上來看，碳化硅半導體完整產(chǎn)業(yè)鏈包括：碳化硅原料-晶錠-晶片-外延-芯片-器件-模塊，如圖1所示。在LED的制備過程中，上游的碳化硅晶片（襯底）材料是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標的主要因素。

圖1 碳化硅半導體產(chǎn)業(yè)鏈（圖片來源：碳化硅半導體技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀）

襯底材料的性能要求

襯底材料是氮化鎵外延膜生長的基礎，同時又是構成LED器件的主要組成。襯底材料表面粗糙度、熱膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)、與外延材料間晶格匹配程度等指標深刻影響著所生產(chǎn)高亮度LED的發(fā)光效率與穩(wěn)定性。表1展示了合格的襯底材料所要考察的性能要求及其解釋。

表1 襯底材料性能要求及其解釋

常見襯底材料的性能對比

目前，常見的襯底材料有藍寶石（Al₂O₃）、單晶硅和碳化硅。碳化硅具有多種晶型，可分為三大類：立方型（如3C-SiC）、六角型（如4H-SiC）和菱形（如15R-SiC），其中4H-SiC和6H-SiC主要用作氮化鎵襯底。其主要性質(zhì)參見表2。

表2 常見襯底材料主要性質(zhì)

（數(shù)據(jù)來源：GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進展）

我們可以通過與藍寶石和單晶硅材料進行對比，看看碳化硅襯底是如何獲得研究人員的青睞并突圍，成為襯底材料中的高端品種。

晶格失配和熱失配方面。藍寶石晶格失配率13.9％，硅晶格失配率16.9％，而碳化硅的晶格失配率僅為3.4％；熱失配率方面，藍寶石30.3％居中，單晶硅熱失配率最高，達到53.48837％，研究人員在對單晶硅襯底上生長氮化鎵過程中發(fā)現(xiàn)，其薄膜會受到巨大的熱應力而導致外延層產(chǎn)生大量缺陷甚至發(fā)生龜裂。因此在硅襯底上生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜存在很大難度。但是，6H-SiC的熱失配率僅有15.92129％。因此，就晶體結構特性而言，4H-SiC和6H-SiC的晶體結構與氮化鎵均為纖鋅礦結構，晶格失配率和熱失配率均最低，最適合生長高質(zhì)量的氮化鎵外延層。

導電性能方面。藍寶石是一種絕緣體，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。碳化硅和單晶硅具有很好的導電性能，可用來制作垂直型LED，與藍寶石襯底上制備的水平型器件相比較，碳化硅上制備垂直型器件工藝簡單。兩種結構的LED如圖2和圖3所示。垂直型LED由于將導電襯底作為下電極，器件上表面只有一個電極，增大了發(fā)光區(qū)域面積，另外，垂直型LED具有更加均勻的電流分布密度，避免了水平型結構由于電流密度分布不均勻產(chǎn)生的局部過熱，能夠承載更高的正向電流。

圖2 水平型結構LED

（圖片來源：GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進展）

圖3 垂直性結構LED

（圖片來源：GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進展）

導熱性能方面。藍寶石的散熱性能差，300K時僅為0.3 W·cm^-1·K^-1，單晶硅在300K時熱導率為1.3 W·cm^-1·K^-1，均遠低于碳化硅晶體的熱導率。此外，碳化硅制成的垂直型LED較藍寶石的水平型LED，產(chǎn)生的熱量能夠從電極兩端導出，因此更為適合作為大功率LED的襯底材料，并擁有更長的使用壽命。

光學性能方面。藍寶石和碳化硅均不吸收可見光，硅襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。

不過，碳化硅襯底并不是樣樣全能，其最大的問題就是晶片的生產(chǎn)問題。藍寶石是目前商業(yè)應用最為廣泛的LED襯底材料，藍寶石采用熔體法生長，工藝更成熟，可獲得較低成本、較大尺寸、高質(zhì)量的單晶，適合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同樣，單晶硅生長技術高度成熟，容易獲得低成本、大尺寸（6-12英寸）、高質(zhì)量的襯底，可以大大降低LED的造價。但是，生長高質(zhì)量、大尺寸碳化硅單晶難度較大，且碳化硅為層狀結構易于解理，加工性能較差，容易在襯底表面引入臺階狀缺陷，影響外延層質(zhì)量。同尺寸的碳化硅襯底價格為藍寶石襯底的幾十倍，高昂的價格限制了其大規(guī)模應用。目前，碳化硅襯底材料生產(chǎn)的企業(yè)有天科合達、中科鋼研、山東天岳等。其中，山東天岳是全球第4家實現(xiàn)了高品質(zhì)碳化硅襯底材料量產(chǎn)的企業(yè)，個別產(chǎn)品僅有美國Gree與山東天岳可以批量生產(chǎn)。

圖4 4H-導電型碳化硅襯底材料（圖片來源：山東天岳官網(wǎng)）

總結

通過以上對三種襯底材料具體性能的比較，我們可以通過優(yōu)、良、差三個評級，直觀地得到最后結果，如表3所示。

表3 常見三種襯底材料性能比較結果

綜合而言，碳化硅晶體與氮化鎵晶格失配和熱失配率低，可以生長出高質(zhì)量的氮化鎵薄膜；導電性優(yōu)良，可以做成垂直LED結構；導熱性優(yōu)良，使用壽命長，適合大功率LED制備；光學性能優(yōu)良，不吸收可見光，出光效率高。但是，雖然碳化硅晶體非常適合作為LED襯底材料，但成本較高，其相關技術與專利面臨著國際壟斷，這是未來亟需解決的問題。

參考文獻

1、碳化硅半導體技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀；中國科學院半導體研究所，劉興昉，陳寧。

2、GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進展；中國科學院上海硅酸鹽研究所，陳偉超，唐慧麗，羅平，麻尉蔚，徐曉東，錢小波，姜大朋，吳鋒，王靜雅，徐軍；中國科學院大學，陳偉超。

By：火宣