藍寶石襯底

·藍寶石（Al2O3）、硅（Si）、碳化硅（SiC）

通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優點：首先，藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好；其次，藍寶石的穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最後，藍寶石的機械強度高，易於處理和清洗。因此，大多數工藝一般都以藍寶石作為襯底。

使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產生大量缺陷，同時給後續的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大於1011Ω·cm，在這種情況下無法製作垂直結構的器件；通常只在外延層上表面製作n型和p型電極。在上表面製作兩個電極，造成了有效發光面積減少，同時增加了器件製造中的光刻和刻蝕工藝過程，結果使材料利用率降低、成本增加。由於P型GaN摻雜困難，當前普遍採用在p型GaN上製備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光，同時GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設備，這將會增加生產成本。

藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次於金剛石，但是在LED器件的製作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400μm減到100μm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。

藍寶石的導熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m·K））。因此在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導熱和導電性能。

碳化硅襯底（美國的CREE公司專門採用SiC材料作為襯底）的LED晶元電極是L型電極，電流是縱向流動的。採用這種襯底製作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利於做成面積較大的大功率器件。

碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱係數為490W/(m·K)）要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，並且在製作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的晶元電極為L型，兩個電極分佈在器件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對於藍寶石襯底而言，碳化硅製造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。

目前有部分LED晶元採用硅襯底。硅襯底的晶元電極可採用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact,水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED晶元內部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由於電流可以縱向流動，因此增大了LED的發光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。

前面的內容介紹的就是製作LED晶元常用的三種襯底材料。

除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據設計的需要選擇使用。

1．襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低；

2．襯底與外延膜的熱膨脹係數匹配：熱膨脹係數的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹係數上相差過大不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由於發熱而造成器件的損壞；

3．襯底與外延膜的化學穩定性匹配：襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降；

4．材料製備的難易程度及成本的高低：考慮到產業化發展的需要，襯底材料的製備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小於2英寸。

當前用於GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用於商品化的襯底只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處於研發階段，離產業化還有一段距離。

用於GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可以大大提高外延膜的晶體質量，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。但是製備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。

ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續值小，接觸勢壘小）。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。ZnO半導體材料尚不能用來製造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研製成功。

藍寶石

用於GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優點是化學穩定性好，不吸收可見光、價格適中、製造技術相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

碳化硅

SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次於藍寶石，還沒有第三種襯底用於GaNLED的商業化生產。SiC襯底有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質量難以達到Al2O3和Si那麼好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發380納米以下的紫外LED。由於SiC襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaNLED器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域占重要地位。

同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有藍色發光特性，而且為低阻材料，可以製作。