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LED襯底
閱讀�10864�(shí)間:2011-04-07 22:48:11

  LED襯底是LED�(chǎn)品的重要組成部分,不同的襯底材料,需要不同的磊晶�晶圓生長(zhǎng))技�(shù)� 芯片加工技�(shù)和封裝技�(shù),最常見的為氮化物襯底材料等。對(duì)于制作led芯片來說,襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底,需要根�(jù)�(shè)備和LED器件的要求�(jìn)行選��

材料的要�

  LED燈襯底材料的選擇主要取決于以�9�(gè)方面,襯底的選擇要同�(shí)滿足全部�(yīng)該有的好特�。所�,目前只能通過外延生長(zhǎng)技�(shù)的變更和器件加工制程的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生�(chǎn)。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�,即�(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底�

  如果我們來看LED襯底材料,好的材料應(yīng)該有的特性如下:

  1、結(jié)�(gòu)特性好,晶圓材料與襯底的晶體結(jié)�(gòu)相同或相近、晶格常�(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小�

  2、接口特性好,有利于晶圓料成核且黏附性強(qiáng)�

  3、化�(xué)�(wěn)定性好,在晶圓生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐��

  4、熱�(xué)性能�,包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小�

  5、導(dǎo)電性好,能制成上下�(jié)�(gòu)�

  6、光�(xué)性能�,制作的器件所�(fā)出的光被襯底吸收��

  7、機(jī)械性能�,器件容易加�,包括減�、拋光和切割��

  8、價(jià)格低廉�

  9、大尺寸,一般要求直徑不小于2英寸�

常見�

  1、氮化鎵襯底

  用于氮化鎵生�(zhǎng)的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材�,這樣可以大大提高晶圓膜的晶體�(zhì)�,降低位�(cuò)密度,提高器件工作壽�,提高發(fā)光效�,提高器件工作電流密�??墒牵苽涞夡w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方法在其它襯�(如Al2O3、SiC、LGO)上生�(zhǎng)氮化鎵厚�,然后通過剝離技�(shù)�(shí)�(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分�,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�(yōu)�(diǎn)非常明顯,即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度,比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度要明顯低;但�(jià)格昂�。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� Al2O3襯底

  目前用于氮化鎵生�(zhǎng)的最普遍的襯底是Al2O3,其�(yōu)�(diǎn)是化�(xué)�(wěn)定性好、不吸收可見�、價(jià)格適�、制造技�(shù)相對(duì)成熟;不足方面雖然很�,但均一一被克服,如很大的晶格失配被過渡層生長(zhǎng)技�(shù)所克服,導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服,機(jī)械性能差不易切割通過雷射劃片所克服,很大的熱失配對(duì)外延層形成壓�(yīng)力因而不�(huì)龜裂。但�,差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不�,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�,目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC,它在市�(chǎng)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�(yè)化生�(chǎn)。它有許多突出的�(yōu)�(diǎn),如化學(xué)�(wěn)定性好、導(dǎo)電性能�、導(dǎo)熱性能�、不吸收可見光等,但不足方面也很突出,如�(jià)格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al2O3和Si那么�、機(jī)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�(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�(shù)解決散熱問題,而是采用上下電極�(jié)�(gòu),可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問�。目前國(guó)際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美�(guó)CREE公司�

  4、Si襯底

  在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本�(lǐng)域中�(mèng)寐以求的一件事�,因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破,晶圓生�(zhǎng)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�(yōu)�(diǎn),如晶體�(zhì)量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的�(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�,以及在GaN的生�(zhǎng)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(jí)�(zhì)量的GaN材料。另外,由于硅襯底對(duì)光的吸收�(yán)�,LED節(jié)能燈出光效率��

  5、ZnO襯底

  之所以ZnO作為GaN晶圓的候選襯底,是�?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅s@人的相似之處。兩者晶體結(jié)�(gòu)相同、晶格失配度非常�,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小,接觸勢(shì)�?。5?,ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目�,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�,主要是材料�(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決,適合ZnO基半�(dǎo)體材料生�(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成�。今后研�(fā)的重�(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法。但�,ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材�� 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�(fā)�?jié)�?,是高效紫光�(fā)光器件、低閾值紫光半�(dǎo)體激光器的候選材料。ZnO材料的生�(zhǎng)非常安全,可以采用沒有任何毒性的水為氧源,用有機(jī)金屬鋅為鋅源�

�(píng)�(jià)�(shí)考慮的因�

  �(píng)�(jià)襯底材料要綜合考慮以下的幾�(gè)因素�

 ?�?)襯底與外延膜的晶格匹配

  襯底材料和外延膜晶格匹配很重�。晶格匹配包含二�(gè)�(nèi)容:

  ·外延生長(zhǎng)面內(nèi)的晶格匹�,即在生�(zhǎng)界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配�

  ·沿襯底表面法線方向上的匹配�

 ?�?)襯底與外延膜的熱膨脹系�(shù)匹配熱膨脹系�(shù)的匹配也很重�,外延膜與襯底材料在熱膨脹系�(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下�,還�(huì)在器件工作過程中,由于發(fā)熱而造成器件的損��

 ?�?)襯底與外延膜的化學(xué)�(wěn)定性匹配襯底材料需要有相當(dāng)好的化學(xué)�(wěn)定�,不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜�(zhì)量下��

  �4)材料制備的難易程度及成本的高低

  考慮到產(chǎn)�(yè)化發(fā)展的需�,襯底材料的制備要求�(jiǎn)�,而且其成本不宜很��

材料的選�

  �(duì)于制作LED芯片來說,襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底,需要根�(jù)�(shè)備和LED器件的要求�(jìn)行選��   目前市面上一般有三種材料可作為襯底:

  ·�(lán)寶石(Al2O3�

  �(lán)寶石襯底通常,GaN基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底�。藍(lán)寶石襯底有許多的�(yōu)�(diǎn):首先,�(lán)寶石襯底的生�(chǎn)技�(shù)成熟、器件質(zhì)量較�;其�,藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好,能夠�(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過程�;,�(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高,易于處理和清洗。因�,大多數(shù)工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底。圖1示例了使用藍(lán)寶石襯底做成的LED芯片。圖1�(lán)寶石作為襯底的LED芯片使用�(lán)寶石作為襯底也存在一些問�,例如晶格失配和熱應(yīng)力失�,這會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺�,同�(shí)給后�(xù)的器件加工工藝造成困難。藍(lán)寶石是一種絕緣體,常溫下的電阻率大于1011Ω·cm,在這種情況下無法制作垂直結(jié)�(gòu)的器�;通常只在外延層上表面制作n型和p型電極(如圖1所示)。在上表面制作兩�(gè)電極,造成了有效發(fā)光面積減�,同�(shí)增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程,結(jié)果使材料利用率降�、成本增�。由于P型GaN摻雜困難,當(dāng)前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方�,使電流�(kuò)散,以達(dá)到均勻發(fā)光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收�30%~40%的光,同�(shí)GaN基材料的化學(xué)性能�(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度較�,不容易�(duì)其�(jìn)行刻�,因此在刻蝕過程中需要較好的�(shè)�,這將�(huì)增加生產(chǎn)成本。藍(lán)寶石的硬度非常高,在自然材料中其硬度僅次于金剛石,但是在LED器件的制作過程中卻需要對(duì)它�(jìn)行減薄和切割(從400nm減到100nm左右)。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。藍(lán)寶石的導(dǎo)熱性能不是很好(在100℃約�25W/(m·K))。因此在使用LED器件�(shí),會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量;特別是�(duì)面積較大的大功率器件,導(dǎo)熱性能是一�(gè)非常重要的考慮因素。為了克服以上困難,很多人試圖將GaN光電器件直接生長(zhǎng)在硅襯底�,從而改善導(dǎo)熱和�(dǎo)電性能�

  ·�(Si)

  硅襯底目前有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式,分別是L接觸(Laterial-contact,水平接觸)和V接觸(Vertical-contact,垂直接觸),以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)型電極和V型電極。通過這兩種接觸方�,LED芯片�(nèi)部的電流可以是橫向流�(dòng)的,也可以是縱向流動(dòng)�。由于電流可以縱向流�(dòng),因此增大了LED的發(fā)光面�,從而提高了LED的出光效�。因?yàn)楣枋菬岬牧紝?dǎo)�,所以器件的�(dǎo)熱性能可以明顯改善,從而延�(zhǎng)了器件的壽命�

  ·碳化硅(SiC�

  碳化硅襯底碳化硅襯底(美�(guó)的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底)的LED芯片電極是L型電極,電流是縱向流�(dòng)�。采用這種襯底制作的器件的�(dǎo)電和�(dǎo)熱性能都非常好,有利于做成面積較大的大功率器件。采用碳化硅襯底的LED芯片如圖2所示。圖2采用�(lán)寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片碳化硅襯底的�(dǎo)熱性能(碳化硅的導(dǎo)熱系�(shù)�490W/(m·K))要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以�。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體,并且在制作器件時(shí)底部需要使用銀膠固�,這種銀膠的傳熱性能也很�。使用碳化硅襯底的芯片電極為L(zhǎng)型,兩�(gè)電極分布在器件的表面和底�,所�(chǎn)生的熱量可以通過電極直接�(dǎo)�;同�(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層,因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收,這樣又提高了出光效率。但是相�(duì)于藍(lán)寶石襯底而言,碳化硅制造成本較�,實(shí)�(xiàn)其商�(yè)化還需要降低相�(yīng)的成��

  三種襯底的性能比較前面的內(nèi)容介紹的就是制作LED芯片常用的三種襯底材�。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見表1。表1三種襯底材料的性能比較除了以上三種常用的襯底材料之�,還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯�,通常根據(jù)�(shè)�(jì)的需要選擇使��

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