目前LED外延片生长技术主要采用金属有机物化学气相沉积的方法。近年来，下游应用市场的繁荣带动我国LED产业迅猛发展，外延片市场也迎来发展良机。国内LED外延片产能快速提升，技术水平不断进步，产品已开始进入中高档次。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术。LED外延片衬底材料的选择原则如下：1）结构特性好。......
2023-06-15
外延片参数介绍与分析
【摘要】：可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。氮化镓厚膜的优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位元错密度，比在A1203、SiC上外延的氮化镓薄膜的位元错密度低。SiC衬底除了A1203衬底外，目前用于氮化镓生长衬底的是SiC。ZnO衬底ZnO可作为GaN外延片的候选衬底，因为两者具有惊人的相似之处。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容易分解和被腐蚀。
1.红黄光LED
红黄光LED以GaP（二元系）、GaAlAs（三元系）和InGaAlP（四元系）为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石（A1203）和硅衬底。
1）GaAs衬底
在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaAlAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长InGaAlP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，所以容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收光子，所以通常使用布拉格反射镜或晶片键合技术。
2）GaP衬底
在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，其波长范围为565～700nm；在使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长为630～650nm；而使用MOCVD时，一般生长InGaAlP外延结构，该结构很好地解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和InGaAlP结构。另外，GaP基的III.N—V结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5%氮的情况下，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应（650nm）。采用该结构制造LED，可以由GaNP晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和晶片键合透明衬底的复杂工艺。
2.蓝绿光LED
用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的目前只有两种，即蓝宝石（A1203）和碳化硅（SiC）衬底。
（1）氮化镓衬底
用于氮化镓生长的最理想的衬底是氮化镓单晶材料，它可以大大提高外延片膜的晶体品质，降低位元错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他衬底（如A1203、SiC、LGO）上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。氮化镓厚膜的优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位元错密度，比在A1203、SiC上外延的氮化镓薄膜的位元错密度低。但其价格昂贵，因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底应用受到了限制。
（2）蓝宝石衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是A1203，其优点是化学稳定性好，不吸收可见光，价格适中，制造技术相对成熟。但是，其导热性差，尤其在功率型器件大电流工作时。
（3）SiC衬底
除了A1203衬底外，目前用于氮化镓生长衬底的是SiC。SiC有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但其价格太高、晶体品质难以达到A1203和Si的水平、机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，因此不适合用来研发380nm以下的紫外LED。由于SiC：衬底具有优异的导电性能和导热性能，所以不需要像A1203衬底上的功率型氮化镓LED那样采用倒装焊技术解决散热问题，而采用上下电极结构。
（4）Si衬底
在硅衬底上制备发光二极体是梦寐以求的一件事情，因为外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，导电性、导热性和热稳定性良好等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si衬底上很难得到无龟裂的器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，所以LED出光效率低。
（5）ZnO衬底
ZnO可作为GaN外延片的候选衬底，因为两者具有惊人的相似之处。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容易分解和被腐蚀。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3～37eV，属直接带隙，与GaN、SiC、金刚石等禁带宽度较宽的半导体材料相比，它在380nm附近的紫光波段的发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体镭射器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以用水为氧源，用有机金属锌为锌源。
（6）ZnSe衬底
有人使用MBE在ZnSe衬底上生长ZnCdSe/ZnSe等材料，用于蓝光和绿光LED器件，但是并没有推广，因为其发光效率较低，而且自补偿效应的影响使其性能不稳定，器件寿命较短。
[1]1in＝0.0254m。
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