什么是LED襯底材料？LED襯底有哪些？

　　LED照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產(chǎn)品就是利用LED作為光源制造出來(lái)的照明器具。由于LED的壽命長(zhǎng)，安全可靠，環(huán)保節(jié)能，色彩多樣，所以自從LED發(fā)明以來(lái)，很快就獲得世人的認(rèn)可。全球都投入了大量的人力、財(cái)力去研究和開發(fā)。

　　我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過40多年的發(fā)展，中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”的推動(dòng)下，我國(guó)LED下游產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是上游的LED產(chǎn)業(yè)仍然需要進(jìn)一步的投入，以趕上日本，美國(guó)和歐洲。

　　 襯底材料的要求

　　當(dāng)今大部分的芯片是GaN，GaN的生長(zhǎng)方法有很多種，但是由于尚未解決單晶生產(chǎn)工藝，目前還是在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)，是依靠有機(jī)金屬氣象沉積法在相關(guān)的異型支撐襯底上生長(zhǎng)的［1］。這樣，襯底材料的選用就是我們首要考慮的問題。要想采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇［2］。目前來(lái)說(shuō)，好的襯底材料應(yīng)該有以下九方面的特性：

　　（1）結(jié)構(gòu)特性好，晶圓材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小。

　　（2）接口特性好，有利于晶圓料成核且黏附性強(qiáng)。

　?。?）化學(xué)穩(wěn)定性好，在晶圓生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。

　　（4）熱學(xué)性能好，要具備良好的導(dǎo)熱性。

　?。?）導(dǎo)電性好，有利于襯底電極的制備［3］。

　　（6）光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小。

　?。?）機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。

　　（8）價(jià)格低廉。

　?。?）大尺寸，一般要求直徑不小于2英寸。

　　表1中列舉了常見的襯底材料的結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)［4］。

　　 襯底材料種類

　　目前一般采用諸如在藍(lán)寶石、SiC、Si、GaAs或其它襯底材料上生長(zhǎng)GaN［5］。

　　 藍(lán)寶石襯底材料

　　目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是藍(lán)寶石。

　　藍(lán)寶石的組成為氧化鋁（Al2O3），是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。它常被應(yīng)用的切面有A-Plane，C-Plane及R-Plane。由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光（190nm）到中紅外線都具有很好的透光性。因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高（2045℃）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來(lái)作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶（GaN）的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石（單晶Al2O3）C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料。

　　 藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法

　　柴氏拉晶法（Czochralski method），簡(jiǎn)稱CZ法。先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱的單晶晶錠。

　　凱氏長(zhǎng)晶法（Kyropoulos method），簡(jiǎn)稱KY法，國(guó)內(nèi)稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法（Czochralski method）類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種（SeedCrystal，又稱籽晶棒）接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇。

　　 藍(lán)寶石的優(yōu)缺點(diǎn)

　　藍(lán)寶石的優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；（2）穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過程中；（3）機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。

　　藍(lán)寶石的不足：（1）晶格失配和熱應(yīng)力失配，會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷；（2）藍(lán)寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個(gè)電極，造成了有效發(fā)光面積減少；（3）增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。

　　 碳化硅襯底材料

　　碳化硅襯底（美國(guó)CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動(dòng)的。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。

　　碳化硅的優(yōu)點(diǎn)：碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/m·K，要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。

　　碳化硅的不足：碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。

　　 硅襯底材料

　　相對(duì)藍(lán)寶石和SiC而言，Si材料具有低成本、大面積、高質(zhì)量、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能等優(yōu)點(diǎn)，且硅工藝技術(shù)相對(duì)成熟，Si襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。而且，S襯底非常便宜，制備工藝很成熟，可以大面積獲得；并且，采用這些襯底來(lái)生長(zhǎng)GaN材料，有望將來(lái)GaN光電器件與成熟的Si和GaAs電子器件集成在一起。但是，由于Si襯底與GaN外延層之間巨大的晶格失配和熱失配，這使Si襯底上的GaN材料產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和裂紋，這為Si襯底上GaN的生長(zhǎng)和研究設(shè)置了障礙。 　　硅襯底的優(yōu)點(diǎn)：硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長(zhǎng)了器件的壽命。硅襯底垂直芯片采用銀作為P電極，相比藍(lán)寶石芯片采用ITO做P電極，導(dǎo)電性能提高了10倍以上，具有良好的電流擴(kuò)散特性，具備低電壓、高光效的特點(diǎn)，可以在大電流下工作。硅的導(dǎo)熱系數(shù)是藍(lán)寶石的5倍，良好的散熱性使硅襯底LED具有高性能和長(zhǎng)壽命。同時(shí)，硅襯底可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損剝離，消除了襯底和氮化鎵材料層的應(yīng)力，硅襯底芯片具有N面朝上、單面出光無(wú)側(cè)光、發(fā)光形貌為朗伯分布以及容易匹配二次光學(xué)的特點(diǎn)，更適合指向性照明。硅襯底大功率LED芯片非常適合陶瓷共晶封裝。

　　硅襯底的不足：陶瓷共晶封裝在行業(yè)內(nèi)是高端的封裝技術(shù)，要求高，難點(diǎn)多。

　　 其他襯底材料

　　 氮化鎵襯底

　　用于GaN生長(zhǎng)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(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。

　　 氧化鋅襯底

　　由于氧化鋅與GaN性能相近，ZnO在a軸方向與GaN的失配度是1.9%，在c軸方向與GaN的失配度是0.4%。與藍(lán)寶石相比，ZnO失配度小，匹配較好。除此之外，ZnO還具有易于制備、容易被醋酸腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。在有些應(yīng)用中，通過對(duì)ZnO選擇性腐蝕，能夠?qū)崿F(xiàn)GaN層與襯底相分離［4］。同時(shí)由于氧化鋅本身也是重要的電致發(fā)光材料，相比其他材料能進(jìn)行同質(zhì)外延，其發(fā)展優(yōu)勢(shì)顯而易見。

　　 鋁酸鋰襯底

　　LiAlO2是一種最具發(fā)展前景的襯底材料，正方晶系γ-LiAlO2與氮化鎵的結(jié)構(gòu)比較接近。

　　因?yàn)棣?LiAlO2擁有低的熱膨脹系數(shù)，所以在外延薄膜生長(zhǎng)的過程中不需要緩沖層消除應(yīng)力來(lái)降低差排密度，而在襯底材料的制備上，比較LiAlO2的（100）面與（001）面，會(huì)發(fā)現(xiàn)（001）面在拋光的過程中容易產(chǎn)生很多的縫隙與刮痕，其主要的原因是因?yàn)棣?LiAlO2在（100）面結(jié)構(gòu)非常接近GaN的（001）面結(jié)構(gòu)。

　　又因?yàn)椋?00）面比較容易研磨、拋光，而且γ-LiAlO2會(huì)被水慢慢的腐蝕，所以在拋光的過程中可以利用水作為拋光液［5］，因此可以降低襯底的植被成本，Hellman等人［6］已經(jīng)成功地在LiAlO2襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜。因此在未來(lái)的應(yīng)用上鋁酸鋰最具發(fā)展空間。

　　 結(jié)語(yǔ)

　　襯底材料作為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展的基石，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心，具有重要地位。其中藍(lán)寶石、碳化硅是目前應(yīng)用較多的襯底材料。而未來(lái)的襯底材料目前由于成本或設(shè)備原因未能大規(guī)模生產(chǎn)，在未來(lái)具有巨大的發(fā)展空間。

　　LED護(hù)欄組成是依賴什么原理考量的？

　　單色的LED護(hù)欄燈我們一般稱之為L(zhǎng)ED輪廓燈，LED護(hù)欄管；七彩的我們稱之為LED數(shù)碼管；

　　LED數(shù)碼管按控制方法分則分為：內(nèi)控和外控；區(qū)別在于是否有單獨(dú)的信號(hào)接頭和電源接頭；信號(hào)接頭一般采用四芯的信號(hào)接頭，設(shè)計(jì)原理大同小異；電源接頭則采用兩芯的。

　　LED數(shù)碼管按效果和段數(shù)分則可以分為：?jiǎn)味蔚?，三段的，六段的，八段的，十二段的，十六段的，市?chǎng)上還有一些二十四段的或更高段數(shù)的。常用的還是六段，八段，十六段居多。

　　所謂段，指的就是截，真六段的就可以分為六截；如果從效果上來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是像素，比如真六段108燈的，那就是18個(gè)燈珠為一個(gè)像素，或者為1段；那十六段144燈的，就是由16個(gè)像素（9燈一段）組成的。

　　單段LED數(shù)碼管

　　技術(shù)參數(shù)：D50*37*1000MM，透明/奶白PC外管，108燈/144燈；電壓：220V/24V

　　效果：整體七彩漸變，跳變效果；單段不能出流水效果；

　　應(yīng)用：適用于一些要求不高，或政府部門的辦公樓體；通過編號(hào)可以達(dá)到招牌底部掃描效果。

　　三段LED數(shù)碼管

　　技術(shù)參數(shù)：D50*50*1000MM，透明/奶白PC外管，108燈；電壓：220V

　　效果：整體七彩漸變，跳變效果；單條流水效果；

　　應(yīng)用：適用于一些要求不高，或政府部門的辦公樓體；

　　外控真六段LED數(shù)碼管

　　技術(shù)參數(shù)：D50*50*1000MM，透明/奶白PC外管，108燈/144燈；電壓：24V；

　　效果：通過控制器可以出七彩漸變，跳變效果；流水，掃描，追逐，脫尾，開關(guān)門，全彩飄效果；

　　應(yīng)用：適用于KTV，酒店等大型商業(yè)場(chǎng)所樓體輪廓亮化，也適用于橋梁或公路兩邊護(hù)欄亮化；

　　真六段外控LED數(shù)碼管；管上可以明顯分出六段，但這六段是不停變化的，不要誤解了。

　　外控真八段LED數(shù)碼管

　　技術(shù)參數(shù)：D50*50*1000MM，透明/奶白PC外管，144燈；電壓：DC12V；

　　效果：通過控制器可以出七彩漸變，跳變效果；流水，掃描，追逐，脫尾，開關(guān)門，全彩飄效果；另可做數(shù)碼招牌，可以出各類花型。

　　應(yīng)用：適用于KTV，酒店等大型商業(yè)場(chǎng)所樓體輪廓亮化，LED數(shù)碼管屏招牌制作；也適用于橋梁或公路兩邊護(hù)欄亮化等。

　　真八段外控LED數(shù)碼管；管上可以明顯分出八段，但這八段也是不停變化的。

　　外控十六段全彩LED數(shù)碼管

　　144珠L(zhǎng)EDS（超高亮度燈珠）

　　電壓：DC12V

　　瓦數(shù)：12W

　　規(guī)格：D50*50*1000mm

　　材質(zhì)：進(jìn)口PC外管（乳白管）；全波纖PCB板

　　效果：可產(chǎn)生漸變、閃變、掃描、追逐、流水；以及播放各種動(dòng)畫及視頻，圖案和文字。

　　控制方法：CF卡控制器，八通信號(hào)連接，無(wú)需分控，可控制512M

　　應(yīng)用范圍：橋梁裝飾照明、建筑物勾勒輪廓、全彩數(shù)碼招牌、城市其他需要裝飾照明之處。本產(chǎn)品特別適合應(yīng)用于大型動(dòng)感光帶之中，可產(chǎn)生彩虹般絢麗的效果。