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UV LED衬底材料对比解析

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-03-16 来源:材料深一度浏览次数:276
衬底材料的选用对于UV LED的外延质量具有重要意义。考虑到晶体结构相似、晶格失配和热膨胀系数差异小等因素,UV LED的衬底通常选用蓝宝石(Al2O3)衬底、硅(Si)衬底、氮化铝(AlN)衬底、碳化硅(6H-SiC)衬底和氮化镓(GaN)衬底。这几种衬底的物理参数对比如下:
一、蓝宝石衬底
蓝宝石衬底是目前UV LED主流使用的衬底,具有透光性能好、耐高温、抗腐蚀、产品商业化成熟度高(2英寸、4英寸、6英寸)等特点。虽然蓝宝石衬底和AlGaN两者存在一定的晶格失配和热失配,会在外延层中产生一定缺陷,影响生长晶体的均匀性,但其都为六方对称结构,尤其是蓝宝石衬底对紫外光的透射率很高且价格低廉,并且它的导电和导热性差问题可以通过芯片倒装技术来克服。
 
表面图形化的蓝宝石衬底,特别是纳米图形化蓝宝石衬底(NPSS),由于可通过侧向外延作用降低其上AlGaN外延层的位错密度、释放外延应力、改善晶体质量,以及调制芯片内部光传输路径、提高光提取效率,且工艺难度和成本适中,是未来发展高效UVC LED很有潜力的技术路线之一。
 
在工艺成本的驱动下和高良率、高均匀性的要求下,未来AlGaN基UV LED芯片在衬底规格方面,将优先选择较大厚度、较大尺寸、合适斜切角的蓝宝石衬底。较厚的衬底可以有效缓解外延过程中因为应力集中而造成的外延片翘曲变差的异常,从而可以较好地提升外延片的均匀性;较大尺寸的衬底可以极大减少边缘效应,快速降低芯片综合成本;合适的斜切角可以改善外延层的表面形貌,或与外延技术相结合形成量子阱有源区的富Ga载流子局域化效应,从而提高发光效率。综上,UV LED对蓝宝石衬底尺寸大小、厚度、斜切角提出新的要求,改进现有的衬底生产工艺将十分有必要。
 
二、硅衬底
硅衬底具有低成本、大面积、高质量、良好的导电导热性能、易于集成等优点,并且其制备工艺相对成熟;由于硅的导热系数是蓝宝石的5倍,良好的散热性可使硅衬底LED具有高性能和长寿命。同时,硅衬底可以实现无损剥离,易于制备垂直结构和薄膜结构UV LED,知识产权目前较空白,是一项值得推进的技术路线。但AlGaN材料与硅衬底之间存在更大的晶格失配和热应力失配,在外延层中产生大量缺陷,外延片翘曲严重,并容易造成表面龟裂。因此对AlGaN外延工艺技术要求更高。
 
三、氮化铝衬底
氮化铝单晶衬底具有良好的导热性能,且其与高Al组分AlGaN材料之间的晶格失配较小,外延生长时材料缺陷密度低,是制备大电流、高功率、长寿命UVC LED芯片及深紫外激光器的理想衬底材料。物理气相传输法(PVT)是制备AlN单晶衬底的最有效方法之一,其研究从1960年代开始,目前尚存较多的技术问题,如成本、尺寸、透光性等,且供应量非常有限。国际上Crystal IS公司和Nitride Crystals公司掌握了PVT的核心技术,可批量生产2英寸AlN单晶衬底。国内奥趋光电亦可提供1英寸/2英寸高质量氮化铝单晶衬底。预计氮化铝单晶生长技术在未取得突破性进展之前,其应用仅限于工业级高功率UVC LED、250 nm以下UVC LED及深紫外激光器等高端领域。
 
四、碳化硅衬底
碳化硅与AlGaN的晶格失配和热失配都很小,且具有优良的导电和导热特性,虽然外延后微裂纹仍然可能发生,但缺陷密度显著降低,提高了效率并延长了LED寿命,并可制备成垂直或薄膜型器件,是制备AlGaN外延材料和器件的一种较优候选衬底。但是碳化硅衬底对紫外光具有很强的吸收作用,以及相对较高的材料和制造成本与需要许可费用的专利工艺,这是限制其在UV LED器件方面发展的重要因素。目前商业化碳化硅衬底价格较高,最大尺寸为6英寸,成本较高。
 
五、氮化镓衬底
氮化镓单晶衬底具有良好的导电导热性能,且其与低Al组分AlGaN材料之间的晶格失配较小,能有效降低异质衬底所导致的高缺陷密度,进而提升外延晶体质量,改善近紫外波段LED和激光二极管的器件性能和使用寿命。目前国内企业已经可以小批量生产2英寸氮化镓衬底,具备4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸衬底样品,典型的位错密度为106cm-2量级。但氮化镓衬底的价格仍较高,在近紫外UV LED中的应用潜力有限。
 
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