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。

半导体行业碳化硅陶瓷(碳化硅陶瓷基板在LED产业中究竟有什么突破)(1)

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。

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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。

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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。

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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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