1.4 LED外延片相關資料

外延生長的基本原理是，在一塊加熱至適當溫度的襯底基片（主要有藍寶石和SiC、Si）上，氣態物質In、Ga、Al、P有控制地輸送到襯底表面，生長出特定的單晶薄膜。目前LED外延片生長技術主要采用金屬有機物化學氣相沉積方法。

LED外延片襯底材料是半導體照明產業發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術。襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。

LED外延片襯底材料的選擇原則如下。

①結構特性好。外延材料與襯底的晶體結構相同或相近，晶格常數失配度小，結晶性能好，缺陷密度小。

②界面特性好。有利于外延材料成核且黏附性強。

③化學穩定性好。在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。

④熱學性能好。導熱性好，熱失配度小。

⑤導電性好。能制成上下結構。

⑥光學性能好。器件所發出的光被襯底吸收小。

⑦機械性能好。器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。

⑧價格低廉。

⑨大尺寸。一般要求直徑不小于2英寸。

⑩容易得到規則形狀襯底（除非有其他特殊要求），與外延設備托盤孔相似的襯底形狀才不容易形成不規則渦流。

（11）在不影響外延質量的前提下，襯底的可加工性盡量滿足后續芯片和封裝加工工藝要求。

襯底的選擇要同時滿足以上11個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。

1．紅黃光LED

紅黃光LED以GaP（二元系）、GaAlAs（三元系）和InGaAlP（四元系）為主，主要采用GaP和GaAs作為襯底，未產業化的還有藍寶石（Al2O3）和硅襯底。

（1）GaAs襯底。在使用LPE生長紅黃光LED時，一般使用GaAlAs外延層，而使用MOCVD生長紅黃光LED時，一般生長InGaAlP外延結構。外延層生長在GaAs襯底上，由于晶格匹配，所以容易生長出較好的材料，但缺點是其吸收光子，所以通常使用布拉格反射鏡或晶片鍵合技術。

（2）GaP襯底。在使用LPE生長紅黃光LED時，一般使用GaP外延層，其波長范圍較寬，為565～700nm；在使用VPE生長紅黃光LED時，生長GaAsP外延層，波長為630～650nm；而使用MOCVD時，一般生長InGaAlP外延結構，該結構很好地解決了GaAs襯底吸光的缺點，直接將LED結構生長在透明襯底上，缺點是晶格失配，需要利用緩沖層來生長InGaP和InGaAlP結構。另外，GaP基的III-N-V結構不但可以改變帶寬，還可以在只加入0.5%氮的情況下，帶隙的變化從間接到直接，并在紅光區域具有很強的發光效應（650nm）。采用該結構制造LED，可以由GaNP晶格匹配的異質結構，通過一步外延形成LED結構，并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復雜工藝。

2．藍綠光LED

用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產的目前只有兩種，即藍寶石（Al2O3）和碳化硅（SiC）襯底。

（1）氮化鎵襯底。用于氮化鎵生長的最理想的襯底是氮化鎵單晶材料，它可以大大提高外延片膜的晶體品質，降低位元錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度。可是，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底（如Al2O3、SiC、LGO）上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。氮化鎵厚膜的優點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯密度低。但其價格昂貴，因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底應用受到了限制。

（2）藍寶石襯底。目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3，其優點是化學穩定性好，不吸收可見光，價格適中，制造技術相對成熟。但是，其導熱性差，尤其在功率型器件大電流工作時。

（3）SiC襯底。除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長襯底的是SiC。SiC有許多突出的優點，如化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但其價格太高、晶體品質難以達到Al2O3和Si的水平、機械加工性能比較差。另外，SiC襯底吸收380nm以下的紫外光，因此不適合用來研發380nm以下的紫外LED。由于SiC襯底具有優異的導電性能和導熱性能，所以不需要像Al2O3襯底上的功率型氮化鎵LED那樣采用倒裝焊技術解決散熱問題，而采用上下電極結構。

（4）Si襯底。在硅襯底上制備發光二極體是夢寐以求的一件事情，因為外延片生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優點，如晶體品質高，尺寸大，成本低，易加工，導電性、導熱性和熱穩定性良好等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si襯底上很難得到無龜裂的器件級品質的GaN材料。另外，由于硅襯底對光的吸收嚴重，所以LED出光效率低。

（5）ZnO襯底。ZnO可作為GaN外延片的候選襯底，因為兩者具有驚人的相似之處。ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。但是，ZnO本身是一種有潛力的發光材料。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，屬直接帶隙，與GaN、SiC、金剛石等禁帶寬度較寬的半導體材料相比，它在380nm附近的紫光波段的發展潛力最大，是高效紫光發光器件、低閾值紫光半導體鐳射器的候選材料。ZnO材料的生長非常安全，可以用水為氧源，用有機金屬鋅為鋅源。

（6）ZnSe襯底。有人使用MBE在ZnSe襯底上生長ZnCdSe/ZnSe等材料，用于藍光和綠光LED器件，但是并沒有推廣，因為其發光效率較低，而且自補償效應的影響使其性能不穩定，器件壽命較短。

3．LED外延片生產商簡介

1）日亞化工（http：//www.nichia.co.jp）

日本日亞化工（NichiaCorporation）是GaN系的開拓者，在LED和激光領域居世界首位，在藍色、白色LED市場也遙遙領先于其他同類企業。它以藍色LED的開發而聞名于全球，與此同時，它又是以熒光粉為主要產品的規模最大的精細化工廠商。熒光粉除了燈具專用的以外，還有CRT專用、PDP專用、X光專用等類型，這成為日亞化工LED事業的堅實基礎。除此以外，日亞化工還生產磁性材料、電池材料及薄膜材料等精細化工制品，廣泛地涉足于光的各個領域。

在LED的生產中，多數是白色LED，主要有單色芯片型和RGB三色型兩大類型。此外，日亞化工是世界上唯一一家可以同時量產藍色LED和紫外線LED的廠商。以此為基礎，日亞化工不斷開發新產品，特別是在SMD（表面封裝）型的高能LED方面，新品層出不窮。

目前日亞化工的紫外460nmLED，外部量子效率達到36%，白色發光效率達到60lm/W。

2）豐田合成（http：//www.toyoda-gosei.com）

1986年，豐田合成（ToyodaGosei）利用在汽車零部件薄膜技術方面的積累，開始展開LED方面的研發工作。1987年，豐田合成成功地在藍寶石上形成了LED電極。因此，豐田合成被譽為“藍色LED的先鋒”。

為了攻奪市場份額，豐田合成意圖提高白色LED的光亮度，于2004年開發出光亮度為1000mcd級的白色LED“TGWHITEⅡ”，比原來的600～700mcd亮了很多。不久，豐田合成又開始開發1300mcd的白色LED。

此外，汽車導航系統和計算機專用液晶控制器、TV專用大型液晶的背光等也是豐田合成的目標市場。

3）PhilipsLumileds照明（http：//www.philipslumileds.com）

PhilipsLumileds照明是世界著名的LED生產商，在固態照明應用領域中居領先地位。Luxeon是首次將傳統照明與具有小針腳、長壽命等優點的LED相結合的高功率發光材料。PhilipsLumileds照明也提供核心LED材料和LED封裝產品，是世界上最亮的紅光、琥珀光、藍光、綠光和白光LED生產商。

4）Lumination（http：//www.lumination.com）

GELcore是GE照明與EMCORE公司的合資公司，創建于1999年1月，總部位于美國新澤西州。GELcore致力于高亮度LED產品的研發和生產，并逐步轉變了人們對照明的認識。GELcore現有的產品包括大功率LED交通信號燈、大型景觀燈、其他建筑、消費和特殊照明應用等。通過把電子、光學、機械和熱能管理等各個領域的技術相結合，GELcore加快了LED技術的應用并創造了世界級的LED系統。

2007年2月7日，原由GE和Emcore合資成立的公司GELcore改名為Lumination。

5）大洋日酸（http：//stableisotope.sanso.co.jp）

大洋日酸公司（TaiyoNipponSanso）研發了用于生產LD和LED產品的MOVPE設備。到目前為止，大洋日酸已經為有著不同需求的客戶提供了超過450臺的MOCVD設備。其中的GaN-MOCVDSR系列，包括SR-2000和SR-6000是專門為藍色鎵氮LED、半導體激光和電子設備的研究和生產而設計的。

6）科稅（http：//www.cree.com/cn/）

科銳（Cree）公司建于1987年，位于美國加利福尼亞州，研制開發并生產基于碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、硅（Si）和相關化合物的材料與設備。其產品包括綠光、藍光和紫外光LED，近紫外激光、射頻和微波半導體設備，電源轉換設備和半導體集成芯片。

7）歐司朗（http：//www.osram-os.com）

歐司朗（OSRAM）是全世界最大的兩個照明生產商之一，建于1919年，總部位于慕尼黑。OSRAM已經從一個傳統的燈泡廠商發展成為照明領域的高科技公司。

8）首爾半導體（http：//www.acriche.com）

首爾半導體是韓國最大的LED環保照明技術生產商，其主要生產全線LED組裝及定制模塊產品，包括采用交流電驅動的半導體光源產品，如Acriche、側光LED、頂光LED、切片LED、插件LED及食人魚（超強光）LED等。其產品已廣泛應用于一般照明、顯示屏照明、移動電話背光源、電視、計算機、汽車照明、家居用品及交通信號等。