碳化硅陶瓷基板具有导热系数高（比硅高三倍）和与氮化镓晶格失配小（4%）等优点，适用于新一代发光二极管（LED）基板材料。毫不夸张地说，碳化硅已经成为全球半导体产业的前沿和制高点。在LED制备过程中，上游碳化硅晶圆基板材料是决定了LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。
碳化硅晶圆片
陶瓷基板材料的性能要求
衬底材料是氮化镓外延薄膜生长的基础，也是LED器件的主要组成部分。陶瓷基板材料的表面粗糙度、热膨胀系数、导热系数、外延材料之间的晶格匹配度等指标对高亮度LED的发光效率和稳定性有着深远的影响。
碳化硅陶瓷基板
1、晶格失配和热失配
蓝宝石晶格失配率为13.9%，硅晶格失配率为16.9%，碳化硅仅为3.4%。在热失配率方面，蓝宝石居中为30.3%，而单晶硅的热失配率最高（53.48837%）。
在单晶硅衬底上生长氮化镓的过程中，研究人员发现氮化镓薄膜会受到很大的热应力，导致外延层出现大量缺陷甚至裂纹。因此难度很大，在硅衬底上生长高质量的氮化镓薄膜。然而，6H-SiC的热失配率仅为15.92129%。因此，就晶体结构特性而言，4H-SiC和6H-SiC以及氮化镓的晶体结构均匀钎锌矿结构，晶格失配率和热失配率最低，最适合高质量的生长，氮化镓外延层。
碳化硅陶瓷晶圆
2、导电性
蓝宝石是一种绝缘体，在这种情况下不能用于制造垂直结构的器件，因此通常只在外延层表面制作n型和P型电极。碳化硅和单晶硅具有良好的导电性，可用于制作垂直LED。由于采用导电基板作为下电极，垂直LED器件的上表面只有一个电极，增加了发光区域的面积。此外，垂直LED具有更均匀的电流分布密度，避免了水平结构电流密度分布不均匀造成的局部过热，可以承载更高的正电流。
3、导热系数
蓝宝石散热性能差，300k时仅为0.3W.cm-1.k-1，单晶硅在300k时的导热系数为1.3W.cm-1.k-1，均远低于碳化硅晶圆的导热系数。与蓝宝石水平LED相比，由碳化硅制成的垂直LED可以从电极的两端产生热量，因此更适合大功率LED的基板材料，使用寿命更长。
金属化碳化硅陶瓷基板
4、光学性能
蓝宝石和碳化硅陶瓷基板不吸收可见光，而硅衬底吸收光严重，LED输出效率低。然而，碳化硅陶瓷基板衬底也不是万能的，最大的问题在于晶圆生产。蓝宝石是目前商业用途最广泛的LED基板材料，蓝宝石采用熔融法生长，工艺较为成熟。可以获得成本更低、尺寸更大、质量更高的单晶，适合于工业化发展。同样，单晶硅的生长技术也高度成熟，容易获得低成本、大尺寸（6-12英寸）的优质基板，可以大大降低LED的成本。
然而，很难生产出高质量和大尺寸的碳化硅陶瓷基板单晶，碳化硅的层状结构易理解，加工性能差，容易在衬底表面引入阶梯缺陷，影响外延层质量。相同尺寸的碳化硅衬底比蓝宝石衬底贵十几倍，这限制了它们的大规模应用。
【文章来源：展至科技】
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