LED芯片“襯底材料”應(yīng)用概況

發(fā)布時間 | 2019-05-13 17:59 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 6665

氧化鋅碳化硅

導(dǎo)讀：LED的制備過程分為上游、中游和下游三個階段（詳見下圖），其上游的材料制備階段主要包括晶體生長、晶棒切割、減薄、拋光等，中游的晶圓加工階段主要包括電極、腐蝕、光刻、圖形、減薄、清洗、...

LED是繼火、白熾燈、熒光燈后人類照明的第四次革命，其發(fā)光效率是白熾燈的10倍，是熒光燈的2倍，同時壽命長達(dá)10000h。得益于其各種優(yōu)秀品質(zhì)，LED受到了許多領(lǐng)域的青睞。從應(yīng)用產(chǎn)品市場細(xì)分上看，led的應(yīng)用主要有顯示屏、照明、背光等三大子市場。LED的節(jié)能環(huán)保特性非常符合當(dāng)今全球照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求及趨勢。在發(fā)改委2017【半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃】中指出，2020年主要發(fā)展指標(biāo)對半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)值的目標(biāo)值為10000（億元）。其中LED功能性照明產(chǎn)值（億元）目標(biāo)值為5400億元。

LED的照明應(yīng)用，單單就汽車車燈這一個應(yīng)用方向就有200億美元的市場規(guī)模（全球）

LED的制備過程分為上游、中游和下游三個階段（詳見下圖），其上游的材料制備階段主要包括晶體生長、晶棒切割、減薄、拋光等，中游的晶圓加工階段主要包括電極、腐蝕、光刻、圖形、減薄、清洗、檢測等，下游的封裝階段主要包括劃片、粘片、燒結(jié)、壓焊、封裝、化切、分選、包裝等。LED制備涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，技術(shù)工藝多樣化，上下游之間的差異巨大，具有典型的不均衡產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，上游環(huán)節(jié)進(jìn)入壁壘大大高于下游環(huán)節(jié)(上游外延片制備的投資規(guī)模比一些下游應(yīng)用環(huán)節(jié)高出上千倍)，呈現(xiàn)金字塔形的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。其中，上游和中游是典型的技術(shù)或資本密集的“三高”產(chǎn)業(yè)（高難度、高投入、高風(fēng)險），而處于產(chǎn)業(yè)鏈下游的封裝和應(yīng)用環(huán)節(jié)壁壘很低，屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，同時競爭也是極為激烈狀態(tài)。

LED產(chǎn)業(yè)鏈上中下

上游的襯底材料是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標(biāo)的主要因素。襯底材料是LED照明的基礎(chǔ)，也是外延生長的基礎(chǔ)。目前藍(lán)綠色光LED多以氮化鎵為主，其襯底材料較多，主要有：藍(lán)寶石（Al₂O₃）、碳化硅（SiC），另外還有硅(Si)、GaN（氮化鎵）、ZnO（氧化鋅）和ZnSe（硒化鋅）等。紅黃色LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)為主，主要采用GaP和GaAs作為襯底材料。下文將對各類LED襯底材料做簡單介紹。

一、藍(lán)寶石（Al₂O₃）襯底

目前商用的LED絕大多數(shù)是基于藍(lán)寶石襯底（Sapphiresubstrate）上外延生長的摻雜銦的氮化鎵（In）GaN材料體系構(gòu)建而成。這主要是由于藍(lán)寶石在LED外延的高溫生長條件下物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度好，同時其生產(chǎn)工藝成熟，價格適中。

藍(lán)寶石晶片

但其缺點(diǎn)是藍(lán)寶石與（In）GaN外延層具有較大晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率很低，這和其它襯底材料相比不利于散熱。導(dǎo)熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足之處，但卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出，不適合制造大功率高效LED。

二、碳化硅（SiC）襯底

除了Al₂O₃襯底外，碳化硅也是目前用于氮化鎵生長的主要襯底材料。碳化硅與氮化鎵外延層的結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)匹配，化學(xué)特性相容，且具有高熱導(dǎo)率及與外延層熱膨脹系數(shù)相近等特點(diǎn)，是氮化鎵基發(fā)光二極管和激光二極管的熱門襯底材料之一，將在半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)扮演重要角色。

目前用碳化硅做光電器件襯底主要挑戰(zhàn)是成本仍相對較高、技術(shù)門檻高，同時還面臨著行業(yè)壟斷者的專利威脅。目前國際上能提供商用的高品質(zhì)SiC襯底的最大廠家為美國CREE公司，美國CREE公司是全球知名的半導(dǎo)體照明解決方案提供商，其市場優(yōu)勢主要就是來源于碳化硅材料以及用此來外延芯片和制備相關(guān)器件。LED市場有高中低端之分，碳化硅襯底LED定位在高端，碳化硅基光電子器件具有功率大、能耗低、發(fā)光效率高等顯著優(yōu)勢，特別適合制備低能耗大功率白光產(chǎn)品(5W以上)，在未來的隧道燈、路燈、室外照明、顯示及手機(jī)閃光燈等領(lǐng)域具有巨大的市場潛力，用碳化硅做襯底將只是時間問題。

碳化硅晶片

三、硅（Si）襯底

硅襯底大尺寸、低成本的特點(diǎn)，在提高生產(chǎn)效率和降低成本方面具備特殊優(yōu)勢，因此在硅襯底上生長III族氮化物材料用于固態(tài)照明和功率電子器件是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)。相比目前藍(lán)寶石或碳化硅襯底最大尺寸只能做到6英寸，12英寸的硅襯底的已經(jīng)非常成熟。

硅晶片

硅襯底作為第 3 條 Ga N 基 LED 的技術(shù)路線，其發(fā)展空間廣闊，但同時也面臨諸多挑戰(zhàn)。雖然使LED的制造成本大大降低，然而與藍(lán)寶石和SiC相比，在Si襯底上生長GaN更為困難，主要體現(xiàn)在：(1)兩者之間的熱失配和晶格失配更大；(2)Si與GaN的熱膨脹系數(shù)差別也將導(dǎo)致GaN膜出現(xiàn)龜裂；(3)晶格常數(shù)差會在GaN外延層中造成高的位錯密度；(4)Si襯底LED還可能因?yàn)镾i與GaN之間有0.5V的異質(zhì)勢壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成p型摻雜效率低，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大；(5)Si吸收可見光會降低LED的外量子效率。

盡管很難，堅(jiān)持或許還有希望，放棄則一無所有

硅襯底完整的專利保護(hù)是未來我國LED面臨專利風(fēng)險的有效武器。硅襯底LED技術(shù)從襯底源頭上避開了藍(lán)寶石襯底和碳化硅襯底技術(shù)路線所形成的國際專利圍剿，可從小功率LED芯片技術(shù)到高難度的大功率LED芯片技術(shù)。

四、氮化鎵（GaN）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，但制備氮化鎵體單晶材料非常困難。

氮化鎵晶片

五、氧化鋅（ZnO）襯底

之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@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(diǎn)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(dá)不到器件水準(zhǔn)和P型摻雜問題沒有真正解決，盡管存在缺點(diǎn)，但ZnO本身確實(shí)是一種有潛力的發(fā)光材料。

氧化鋅晶體

六、砷化鎵（GaAs）襯底及磷化鎵（GaP）

GaAs是繼Si之后研究最深入、應(yīng)用最廣泛的一種新型半導(dǎo)體材料。它具有遷移率高、禁帶寬度大、耐高溫等特點(diǎn)。主要應(yīng)用于高頻通訊、無線網(wǎng)絡(luò)及光電子領(lǐng)域，如LED發(fā)光器、太陽能電池板等。國內(nèi)的砷化鎵應(yīng)用市場以紅橙黃光LED用半導(dǎo)體單晶拋光片（亦稱為低阻砷化鎵襯底）為主。與硅單晶一樣，砷化鎵襯底正逐步向大尺寸、高幾何精度、高表面質(zhì)量方向發(fā)展。目前，日本住友電工、美國AXT代表著國際領(lǐng)先水平；中科晶電、晶明公司代表著國內(nèi)的先進(jìn)水平。