碳化硅(SiC)襯底
SiC具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，而且可以用作基于GaN的藍(lán)色發(fā)光二極管的襯底材料，打破了藍(lán)寶石一統(tǒng)天下的局面，尤其在路燈和室外照明領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)潛力。在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 兩種。
碳化硅與藍(lán)寶石相比，在結(jié)構(gòu)上，藍(lán)寶石不是半導(dǎo)體而是絕緣體，它只能做單面電極;碳化硅是導(dǎo)電的半導(dǎo)體，它可以做垂直結(jié)構(gòu)。碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能要比藍(lán)寶石高10倍以上;藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制造器件時(shí)底部需要使用銀膠固晶，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(zhǎng)型，兩個(gè)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(dǎo)出;同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。
在碳化硅襯底領(lǐng)域，美國(guó)Cree幾乎壟斷了優(yōu)質(zhì)碳化硅襯底的全球供應(yīng)，其次是德國(guó)SiCrystal、日本新日鐵、昭和電工、東纖-道康寧。我國(guó)企業(yè)實(shí)力較弱，國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)和加工碳化硅襯底的企業(yè)或機(jī)構(gòu)有北京天科合達(dá)、山東天岳、山東大學(xué)、中科院物理所、中科院上海硅酸鹽所、中國(guó)電子科技集團(tuán)46所等。2015年7月，山東天岳自主研制的一款4英寸高純半絕緣碳化硅襯底產(chǎn)品面世。
用碳化硅做光電器件襯底主要挑戰(zhàn)是成本仍相對(duì)較高、技術(shù)門檻較高和專利技術(shù)不足，面臨著行業(yè)壟斷者的專利威脅。不過LED市場(chǎng)有高中低端之分，碳化硅襯底LED定位在高端。大功率LED市場(chǎng)需求巨大，碳化硅材料性能優(yōu)越，具有功率大、能耗低、發(fā)光效率高等顯著優(yōu)勢(shì)，可以很好滿足大功率LED需求。
硅(Si)襯底
硅片作為GaN 材料的襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。
由于單晶硅材料生長(zhǎng)技術(shù)成熟度高，容易獲得低成本、大尺寸(6-12 英寸)、高質(zhì)量的襯底，可以大大降低LED 的造價(jià)。并且，由于硅單晶已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，使用單晶硅襯底有望實(shí)現(xiàn)LED 芯片與集成電路的直接集成，有利于LED 器件的小型化發(fā)展。因此使用單晶硅作為L(zhǎng)ED 襯底一直是本行業(yè)夢(mèng)寐以求的事情。此外，與藍(lán)寶石相比，單晶硅在性能上還有一些優(yōu)勢(shì)：熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好，可制備垂直結(jié)構(gòu)，更適合大功率LED 制備。
然而與藍(lán)寶石和SiC 相比，在Si 襯底上生長(zhǎng)GaN 更為困難，主要體現(xiàn)在：(1)兩者之間的熱失配和晶格失配更大;(2)Si 與GaN 的熱膨脹系數(shù)差別也將導(dǎo)致GaN 膜出現(xiàn)龜裂;(3)晶格常數(shù)差會(huì)在GaN 外延層中造成高的位錯(cuò)密度;(4)Si 襯底LED 還可能因?yàn)镾i 與GaN 之間有0.5 V 的異質(zhì)勢(shì)壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成p 型摻雜效率低，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大;(5)Si 吸收可見光會(huì)降低LED 的外量子效率。
從1999年第一個(gè)GaN/Si LED出現(xiàn)，到2002 年商品化GaN/Si LED 就已經(jīng)問世，但是由于性能與藍(lán)寶石及碳化硅制備的LED相差很大而沒有被廣泛應(yīng)用。2010 年德國(guó)Azzurro 公司授權(quán)GaN-on-Si 技術(shù)予德國(guó)OSRAM公司。2013 年4 月日本東芝公司收購(gòu)美國(guó)普瑞光電(Bridgelux) 的技術(shù)，并開始8 英寸GaN-on-Si 外延片生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)江西晶能光電公司早在2012 年就宣布批量生產(chǎn)HB-LED 芯片;江西晶瑞光電也已推出了類似性能的LED 產(chǎn)品。
晶能光電的硅襯底技術(shù)，具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了藍(lán)寶石、碳化硅、硅襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)路線三足鼎立的局面。中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)只有打破國(guó)際巨頭的技術(shù)、專利壟斷，掌握核心技術(shù)，才能真正實(shí)現(xiàn)由“跟隨”到“跨越”的轉(zhuǎn)變。
