led衬底材料有哪几种_led芯片衬底材料有哪些

LED衬底材料大全：

LED衬底材料的概念、作用、种类及性能比较

概念：

衬底又称基板，也有称之为支撑衬底。

作用：

衬底主要是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的作用。且与外延层的特性配合要求比较严格，否则会影响力到外延层的生长或是芯片的品质。

LED衬底材料的种类

目前市面上GaN基系列一般有三种材料可作为衬底：蓝宝石(Al2O3);硅(Si);碳化硅(SiC)。

除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAs、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。

1、蓝宝石衬底

通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。

优点：

蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好

蓝宝石的稳定性很好能够运用在高温生长过程中

蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗

缺点

晶格失配和热应力失配，导致外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难;

蓝宝石是绝缘体，电阻率大于1011Ω·cm，无法制作垂直结构的器件;

在外延层上表面制作n型和p型电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻艺过程，使材料利用率降低、成本增加;

蓝宝石的硬度非常高，仅次于金刚石，需要的对它进行薄和切割，又增加一笔较大的投资;

蓝宝石的导热性能不是很好

2、硅衬底

目前有部分LED芯片采用硅衬底。

硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触(Lateral-contact , 水平接触)和V接触(Vertical-contact，垂直接触)，简称为L型电极和V型电极。

通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。

因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。

3、碳化硅衬底

SiC是IV-IV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的稳定固态化合物，一种重要的半导体材料。

具有优良的热学、力学、化学和电学性质，不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，同时又可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料。

带宽隙半导体材料SiC所制功率器件可以承受更高电压、更大电流、耗尽层可以做的更薄，因而工作速度更快，可使器件体积更小、重量更轻。

碳化硅衬底的导热性能(碳化硅的导热系数为490W/(m·K))要比蓝宝石衬底高出10倍 以上;

使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器 件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。

但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。

4、氮化镓

用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。

但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。

5、氧化锌

ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。

但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。

目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

6、衬底的性能比较

(1)蓝宝石、硅和碳化硅三种衬底的性能比较

(2)用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较

现在GaN基led灯珠使用的基板材料比较多，用于商品化的基板有蓝宝石和碳化硅基板两种。其他的例如GaN、Si、ZnO基板还处于研究开发阶段，离产业化还有距离。

氮化镓（GaN）

GaNled灯珠用于生长的最理想的基板是GaN单晶体材料，能够大幅度地推进外延膜的结晶质量，位错密度，能够降低前进元件工作寿命、前进发光功率、前进元件工作电流密度。但是GaN体制备单个晶体非常困难，到目前为止没有有效的方法。

蓝宝石Al2O3

GaNled灯珠在生长中最广泛使用的基板是Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光，价格适中，制作技术比较旧。导热性差的话，在元件小电流工作中没有明显的缺陷，但是在功率型元件大电流工作中问题非常好。

碳化硅SiC

SiC作为基板材料使用的面积仅次于蓝宝石，现在没有用于GaNled灯珠商业化的第三基板。

SiC基板的化学稳定性好，导电性好，导热性好，不吸收可见光等缺点也很好，但是价格太高，结晶质量不好Al2O3和Si，机械加工功能差，其他SiC基板吸收380纳米以下的紫外线不适合开发380纳米以下的紫外线LED。

SiC由于基板的有利导电性和导热性，能够更好地处理功率型GaNled灯珠装置的散热问题，因此在半导体照明技术领域占据重要的方向

与蓝宝石相比，SiC和GaN外延膜的晶格匹配得到改善。另外，SiC具有蓝色发光特性，且是低电阻材料，能够制作电极，能够在封装前对外延材料进行完全检查，SiC提高了作为基板材料的竞争力。

由于能够容易地理解SiC的层状结构，所以能够在基板和外延膜之间获得高质量的解理面，这大大简化元件的结构。然而，由于它们的层状结构，经常出现在衬底表面上引入许多缺陷的台阶。

氧化锌（ZnO

ZnO能够成为GaNled灯珠外延的候补基板是因为两者具有令人吃惊的类似点。两者的晶体结构相同，晶格识别度非常小，禁止带宽接近（带不连续值小，接触屏障小）。然而，ZnO作为外延基板的GaN创伤缺陷容易在GaNled灯珠外延生长的温度和环境中分解和腐蚀。

目前，ZnO半导体材料不能用于光电子器件和高温电子器件的制造，主要没有实际处理材料质量达不到设备水的陡峭的p型掺杂问题，ZnO适合于基础半导体材料的生长的设备开发不成功。