半導(dǎo)體照明“新血液”：碳化硅襯底

市面上一般有三種材料可作為襯底：藍(lán)寶石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(Sic)。其中藍(lán)寶石是使用最多的襯底材料，具有生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好、穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、易于處理和清洗等優(yōu)點(diǎn)。但是它也有許多不能克服的缺點(diǎn)：第一，晶格失配和熱應(yīng)力失配會(huì)導(dǎo)致外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難；第二，藍(lán)寶石是絕緣體，電阻率很大，無(wú)法制成垂直結(jié)構(gòu)的器件；第三，通常只在外延層上表面制作N型和P型電極，造成了有效發(fā)光面積減少，材料利用率降低；第四，藍(lán)寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，難以對(duì)它進(jìn)行薄化和切割；第五，藍(lán)寶石導(dǎo)熱性能不是很好，因此在使用半導(dǎo)體照明器件時(shí)，會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量，對(duì)面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個(gè)非常重要的考慮因素。

為了解決上述難題，改善LED器件的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始在光電器件中采用碳化硅或者硅襯底，國(guó)內(nèi)公司在這類(lèi)襯底材料的研發(fā)和加工上亦取得不小進(jìn)展。

性能優(yōu)越的碳化硅襯底

目前國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)和加工碳化硅襯底的公司有北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司、山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司等，能提供硅襯底的有江西晶能光電有限公司。

據(jù)天岳總工程師高玉強(qiáng)介紹，碳化硅是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，也是目前發(fā)展最為成熟的第三代半導(dǎo)體材料。它具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時(shí)又可以用作基于氮化鎵的藍(lán)光發(fā)光二極管的襯底材料，可廣泛應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域、微波器件領(lǐng)域和LED光電子領(lǐng)域。寬帶隙半導(dǎo)體材料碳化硅所制作的功率器件可以承受更高電源、更大電路、耗盡層可以做得更薄，因而工作速度更快、器件體積更小、重量更輕。其實(shí)在微波器件領(lǐng)域，碳化硅早在2006年就完全替代了藍(lán)寶石作為氮化鎵外延襯底。

“從材料性能上來(lái)講碳化硅是非常優(yōu)越的，它的禁帶寬度是硅的3倍，飽和電子漂移速率高于硅2倍，臨界擊穿電場(chǎng)高于硅10倍，高于砷化鎵5倍；熱導(dǎo)率大于藍(lán)寶石20倍，是砷化鎵的10倍；還有它的化學(xué)穩(wěn)定性很好�！备哂駨�(qiáng)指出。另外，從結(jié)構(gòu)上比較，藍(lán)寶石不是半導(dǎo)體而是絕緣體，它只能做單面電極；碳化硅是導(dǎo)電的半導(dǎo)體，它可以做垂直結(jié)構(gòu)。碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能要比藍(lán)寶石高10倍以上。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制造器件時(shí)底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。而使用碳化硅襯底的芯片電極為L(zhǎng)型，兩個(gè)電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)電極直接導(dǎo)出；同時(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。據(jù)了解，目前碳化硅襯底LED最高流明效率可達(dá)254lm/W。

高玉強(qiáng)表示，碳化硅與氮化鎵外延層的結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)匹配，化學(xué)特性相容，具有高熱導(dǎo)率及與外延層熱膨脹系數(shù)相近等特點(diǎn)，是氮化鎵基發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)的熱門(mén)襯底材料之一，將在半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)扮演重要角色。

美國(guó)Cree公司是全球知名的半導(dǎo)體照明解決方案提供商，其市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)主要就是來(lái)源于碳化硅材料以及用此來(lái)外延芯片和制備相關(guān)器件。此類(lèi)技術(shù)在幾年前還是由該公司壟斷，現(xiàn)今包括天岳在內(nèi)的國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)突破了專(zhuān)*壁壘，掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳化硅生產(chǎn)和加工技術(shù)。

“世界上能夠生產(chǎn)碳化硅單晶的企業(yè)極少，最大的碳化硅單晶是Cree公司生產(chǎn)的6英寸單晶，也只有他們一家能做到6英寸，其他最高做到4英寸，目前天岳也是做到4英寸。碳化硅單晶的加工技術(shù)很難，但是我們的碳化硅單晶襯底的TTV、BOW、WARP均可達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平�，F(xiàn)在天岳可年產(chǎn)2萬(wàn)片碳化硅單晶襯底，可批量提供‘開(kāi)盒即用’襯底。”高玉強(qiáng)介紹道。

來(lái)自Cree的數(shù)據(jù)表明，使用碳化硅襯底的LED器件可以做到長(zhǎng)達(dá)50，000小時(shí)的70%光維持率壽命，光衰小，壽命長(zhǎng)。高玉強(qiáng)指出，光衰從微觀上看其實(shí)就是材料的異質(zhì)外延導(dǎo)致的缺陷增值。襯底上的缺陷主要有微管缺陷和位錯(cuò)缺陷。微管缺陷密度是貫穿半導(dǎo)體材料的一個(gè)問(wèn)題，是表征碳化硅襯底質(zhì)量最重要的指標(biāo)，也是衡量不同單位技術(shù)水平的重要指標(biāo)。一般工業(yè)級(jí)碳化硅襯底要求微管密度小于5個(gè)/cm2，目前天岳可以生產(chǎn)微管密度小于1個(gè)/cm2的碳化硅襯底。另一個(gè)影響襯底質(zhì)量的缺陷是位錯(cuò)缺陷密度，而且襯底中的位錯(cuò)缺陷還會(huì)衍生到外延層，影響器件性能。一般藍(lán)寶石襯底位錯(cuò)密度為十的三次方，外延了氮化鎵之后的位錯(cuò)密度至少會(huì)達(dá)到十的八、九次方，更嚴(yán)重的還可以達(dá)到十的十三次方，天岳目前碳化硅襯底外延氮化鎵之后只有十的四次方左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于藍(lán)寶石的。

應(yīng)用于大功率LED可望而且可及

一般來(lái)說(shuō)，LED對(duì)襯底有許多要求，包括結(jié)構(gòu)特性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱學(xué)性能好、導(dǎo)電性好、機(jī)械性能好、成本低廉等等。拿藍(lán)寶石、碳化硅和硅這三大襯底材料做對(duì)比，從導(dǎo)熱系數(shù)、膨脹系數(shù)、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、成本、ESD幾個(gè)方面看，碳化硅除了成本高外其他均占優(yōu)勢(shì)(如文中下表所示)。不過(guò)目前國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)成本要求苛刻，那么價(jià)格相對(duì)藍(lán)寶石和硅材料較為昂貴的碳化硅襯底在國(guó)內(nèi)能否有好的發(fā)展前景？

“中國(guó)LED行業(yè)發(fā)展面臨技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)重組，要使中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)得到健康發(fā)展，就需要多方面綜合發(fā)展。就上游而言，不僅僅需要發(fā)展藍(lán)寶石襯底，也需要發(fā)展碳化硅和硅材料襯底。目前在碳化硅襯底上制作大功率LED已經(jīng)是一件可望而且可及的目標(biāo)，如果國(guó)內(nèi)廣大LED廠商不及時(shí)介入將會(huì)錯(cuò)失良機(jī)。”高玉強(qiáng)說(shuō)道。其實(shí)政府也發(fā)布了許多產(chǎn)業(yè)政策來(lái)推動(dòng)碳化硅發(fā)展，例如在“十二五規(guī)劃”中就明確提到支持碳化硅等先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的開(kāi)發(fā)，工信部、國(guó)家發(fā)改委和科技部也都有相關(guān)政策來(lái)支持碳化硅單晶襯底產(chǎn)業(yè)化。

“技術(shù)的發(fā)展是讓高質(zhì)量、高技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，讓消費(fèi)者獲