半導體照明“新血液”：碳化硅襯底

市面上一般有三種材料可作為襯底：藍寶石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(Sic)。其中藍寶石是使用最多的襯底材料，具有生產(chǎn)技術成熟、器件質量較好、穩(wěn)定性好、機械強度高、易于處理和清洗等優(yōu)點。但是它也有許多不能克服的缺點：第一，晶格失配和熱應力失配會導致外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難；第二，藍寶石是絕緣體，電阻率很大，無法制成垂直結構的器件；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，藍寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，難以對它進行薄化和切割；第五，藍寶石導熱性能不是很好，因此在使用半導體照明器件時，會傳導出大量的熱量，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。

為了解決上述難題，改善LED器件的導熱和導電性能，越來越多的企業(yè)開始在光電器件中采用碳化硅或者硅襯底，國內公司在這類襯底材料的研發(fā)和加工上亦取得不小進展。

性能優(yōu)越的碳化硅襯底

目前國內能生產(chǎn)和加工碳化硅襯底的公司有北京天科合達藍光半導體有限公司、山東天岳先進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介紹，碳化硅是一種寬帶隙半導體材料，也是目前發(fā)展最為成熟的第三代半導體材料。它具有優(yōu)良的熱學、力學、化學和電學性質，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時又可以用作基于氮化鎵的藍光發(fā)光二極管的襯底材料，可廣泛應用在電力電子領域、微波器件領域和LED光電子領域。寬帶隙半導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。其實在微波器件領域，碳化硅早在2006年就完全替代了藍寶石作為氮化鎵外延襯底。

“從材料性能上來講碳化硅是非常優(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，臨界擊穿電場高于硅10倍，高于砷化鎵5倍；熱導率大于藍寶石20倍，是砷化鎵的10倍；還有它的化學穩(wěn)定性很好�！备哂駨娭赋�。另外，從結構上比較，藍寶石不是半導體而是絕緣體，它只能做單面電極；碳化硅是導電的半導體，它可以做垂直結構。碳化硅襯底的導熱性能要比藍寶石高10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制造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。而使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)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。據(jù)了解，目前碳化硅襯底LED最高流明效率可達254lm/W。

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

美國Cree公司是全球知名的半導體照明解決方案提供商，其市場優(yōu)勢主要就是來源于碳化硅材料以及用此來外延芯片和制備相關器件。此類技術在幾年前還是由該公司壟斷，現(xiàn)今包括天岳在內的國內企業(yè)已經(jīng)突破了專*壁壘，掌握了具有自主知識產(chǎn)權的碳化硅生產(chǎn)和加工技術。

“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很難，但是我們的碳化硅單晶襯底的TTV、BOW、WARP均可達到國際先進水平�，F(xiàn)在天岳可年產(chǎn)2萬片碳化硅單晶襯底，可批量提供‘開盒即用’襯底�！备哂駨娊榻B道。

來自Cree的數(shù)據(jù)表明，使用碳化硅襯底的LED器件可以做到長達50，000小時的70%光維持率壽命，光衰小，壽命長。高玉強指出，光衰從微觀上看其實就是材料的異質外延導致的缺陷增值。襯底上的缺陷主要有微管缺陷和位錯缺陷。微管缺陷密度是貫穿半導體材料的一個問題，是表征碳化硅襯底質量最重要的指標，也是衡量不同單位技術水平的重要指標。一般工業(yè)級碳化硅襯底要求微管密度小于5個/cm2，目前天岳可以生產(chǎn)微管密度小于1個/cm2的碳化硅襯底。另一個影響襯底質量的缺陷是位錯缺陷密度，而且襯底中的位錯缺陷還會衍生到外延層，影響器件性能。一般藍寶石襯底位錯密度為十的三次方，外延了氮化鎵之后的位錯密度至少會達到十的八、九次方，更嚴重的還可以達到十的十三次方，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，遠遠小于藍寶石的。

應用于大功率LED可望而且可及

一般來說，LED對襯底有許多要求，包括結構特性好、化學穩(wěn)定性好、熱學性能好、導電性好、機械性能好、成本低廉等等。拿藍寶石、碳化硅和硅這三大襯底材料做對比，從導熱系數(shù)、膨脹系數(shù)、穩(wěn)定性、導熱性、成本、ESD幾個方面看，碳化硅除了成本高外其他均占優(yōu)勢(如文中下表所示)。不過目前國內LED產(chǎn)業(yè)競爭激烈，對成本要求苛刻，那么價格相對藍寶石和硅材料較為昂貴的碳化硅襯底在國內能否有好的發(fā)展前景？

“中國LED行業(yè)發(fā)展面臨技術升級和產(chǎn)業(yè)重組，要使中國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，如果國內廣大LED廠商不及時介入將會錯失良機�！备哂駨娬f道。其實政府也發(fā)布了許多產(chǎn)業(yè)政策來推動碳化硅發(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半導體技術的開發(fā)，工信部、國家發(fā)改委和科技部也都有相關政策來支持碳化硅單晶襯底產(chǎn)業(yè)化。

“技術的發(fā)展是讓高質量、高技術的產(chǎn)品進入市場，讓消費者獲