LED芯片“襯底材料”應用概況

發布時間 | 2019-05-13 17:59 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 6618

氧化鋅碳化硅

導讀：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，其發光效率是白熾燈的10倍，是熒光燈的2倍，同時壽命長達10000h。得益于其各種優秀品質，LED受到了許多領域的青睞。從應用產品市場細分上看，led的應用主要有顯示屏、照明、背光等三大子市場。LED的節能環保特性非常符合當今全球照明產業的發展要求及趨勢。在發改委2017【半導體照明產業“十三五”發展規劃】中指出，2020年主要發展指標對半導體照明產業整體產值的目標值為10000（億元）。其中LED功能性照明產值（億元）目標值為5400億元。

LED的照明應用，單單就汽車車燈這一個應用方向就有200億美元的市場規模（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、壓焊、封裝、化切、分選、包裝等。LED制備涉及的技術領域廣泛，技術工藝多樣化，上下游之間的差異巨大，具有典型的不均衡產業鏈結構，上游環節進入壁壘大大高于下游環節(上游外延片制備的投資規模比一些下游應用環節高出上千倍)，呈現金字塔形的產業結構。其中，上游和中游是典型的技術或資本密集的“三高”產業（高難度、高投入、高風險），而處于產業鏈下游的封裝和應用環節壁壘很低，屬于勞動密集型產業，同時競爭也是極為激烈狀態。

LED產業鏈上中下

上游的襯底材料是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標的主要因素。襯底材料是LED照明的基礎，也是外延生長的基礎。目前藍綠色光LED多以氮化鎵為主，其襯底材料較多，主要有：藍寶石（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、藍寶石（Al₂O₃）襯底

目前商用的LED絕大多數是基于藍寶石襯底（Sapphiresubstrate）上外延生長的摻雜銦的氮化鎵（In）GaN材料體系構建而成。這主要是由于藍寶石在LED外延的高溫生長條件下物理化學性質穩定、機械強度好，同時其生產工藝成熟，價格適中。

藍寶石晶片

但其缺點是藍寶石與（In）GaN外延層具有較大晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造成困難。藍寶石的熱導率很低，這和其它襯底材料相比不利于散熱。導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構和晶格常數匹配，化學特性相容，且具有高熱導率及與外延層熱膨脹系數相近等特點，是氮化鎵基發光二極管和激光二極管的熱門襯底材料之一，將在半導體照明產業扮演重要角色。

目前用碳化硅做光電器件襯底主要挑戰是成本仍相對較高、技術門檻高，同時還面臨著行業壟斷者的專利威脅。目前國際上能提供商用的高品質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體照明解決方案提供商，其市場優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、發光效率高等顯著優勢，特別適合制備低能耗大功率白光產品(5W以上)，在未來的隧道燈、路燈、室外照明、顯示及手機閃光燈等領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，在提高生產效率和降低成本方面具備特殊優勢，因此在硅襯底上生長III族氮化物材料用于固態照明和功率電子器件是學術界和產業界的關注熱點。相比目前藍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非常成熟。

硅晶片

硅襯底作為第 3 條 Ga N 基 LED 的技術路線，其發展空間廣闊，但同時也面臨諸多挑戰。雖然使LED的制造成本大大降低，然而與藍寶石和SiC相比，在Si襯底上生長GaN更為困難，主要體現在：(1)兩者之間的熱失配和晶格失配更大；(2)Si與GaN的熱膨脹系數差別也將導致GaN膜出現龜裂；(3)晶格常數差會在GaN外延層中造成高的位錯密度；(4)Si襯底LED還可能因為Si與GaN之間有0.5V的異質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，導致串聯電阻增大；(5)Si吸收可見光會降低LED的外量子效率。

盡管很難，堅持或許還有希望，放棄則一無所有

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

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，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度，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，禁帶寬度接近(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制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，盡管存在缺點，但ZnO本身確實是一種有潛力的發光材料。

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、應用最廣泛的一種新型半導體材料。它具有遷移率高、禁帶寬度大、耐高溫等特點。主要應用于高頻通訊、無線網絡及光電子領域，如LED發光器、太陽能電池板等。國內的砷化鎵應用市場以紅橙黃光LED用半導體單晶拋光片（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、高表面質量方向發展。目前，日本住友電工、美國AXT代表著國際領先水平；中科晶電、晶明公司代表著國內的先進水平。