碳化硅具有熱導(dǎo)率高（比硅高3倍）、與氮化鎵晶格失配小（4％）等優(yōu)勢(shì)，非常適合用作新一代發(fā)光二極管（LED）襯底材料。在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)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(guó)制造2025》中明確大尺寸碳化硅單晶襯底為“關(guān)鍵戰(zhàn)略材料”“先進(jìn)半導(dǎo)體材料”。可以毫不夸張地說，碳化硅已成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前沿和制高點(diǎn)。從整體上來看，碳化硅半導(dǎo)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(biāo)的主要因素。

圖1 碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈（圖片來源：碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)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(zhǎng)的基礎(chǔ)，同時(shí)又是構(gòu)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(dǎo)系數(shù)、與外延材料間晶格匹配程度等指標(biāo)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(duì)比

目前，常見的襯底材料有藍(lán)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(jìn)展）

我們可以通過與藍(lán)寶石和單晶硅材料進(jìn)行對(duì)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(lán)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(lán)寶石30.3％居中，單晶硅熱失配率最高，達(dá)到53.48837％，研究人員在對(duì)單晶硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵過程中發(fā)現(xiàn)，其薄膜會(huì)受到巨大的熱應(yīng)力而導(dǎo)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)特性而言，4H-SiC和6H-SiC的晶體結(jié)構(gòu)與氮化鎵均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格失配率和熱失配率均最低，最適合生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵外延層。

導(dǎo)電性能方面。藍(lán)寶石是一種絕緣體，在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)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(dǎo)電性能，可用來制作垂直型LED，與藍(lán)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(jiǎn)單。兩種結(jié)構(gòu)的LED如圖2和圖3所示。垂直型LED由于將導(dǎo)電襯底作為下電極，器件上表面只有一個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)LED

（圖片來源：GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進(jìn)展）

圖3 垂直性結(jié)構(gòu)LED

（圖片來源：GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進(jìn)展）

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

光學(xué)性能方面。藍(lán)寶石和碳化硅均不吸收可見光，硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)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(lán)寶石是目前商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的LED襯底材料，藍(lán)寶石采用熔體法生長(zhǎng)，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(zhǎng)技術(shù)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(jià)。但是，生長(zhǎng)高質(zhì)量、大尺寸碳化硅單晶難度較大，且碳化硅為層狀結(jié)構(gòu)易于解理，加工性能較差，容易在襯底表面引入臺(tái)階狀缺陷，影響外延層質(zhì)量。同尺寸的碳化硅襯底價(jià)格為藍(lán)寶石襯底的幾十倍，高昂的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用。目前，碳化硅襯底材料生產(chǎn)的企業(yè)有天科合達(dá)、中科鋼研、山東天岳等。其中，山東天岳是全球第4家實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)碳化硅襯底材料量產(chǎn)的企業(yè)，個(gè)別產(chǎn)品僅有美國(guó)Gree與山東天岳可以批量生產(chǎn)。

圖4 4H-導(dǎo)電型碳化硅襯底材料（圖片來源：山東天岳官網(wǎng)）

總結(jié)

通過以上對(duì)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(gè)評(píng)級(jí)，直觀地得到最后結(jié)果，如表3所示。

表3 常見三種襯底材料性能比較結(jié)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(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵薄膜；導(dǎo)電性優(yōu)良，可以做成垂直LED結(jié)構(gòu)；導(dǎo)熱性優(yōu)良，使用壽命長(zhǎng)，適合大功率LED制備；光學(xué)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(guān)技術(shù)與專利面臨著國(guó)際壟斷，這是未來亟需解決的問題。

參考文獻(xiàn)

1、碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀；中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)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(jìn)展；中國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)院大學(xué)，陳偉超。

By：火宣