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何来底气?------碳化硅衬底的突围
2018月09月01日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:151
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碳化硅具有热导率高(比硅高3倍)、与氮化镓晶格失配小(4%)等优势,非常适合用作新一代发光二极管(LED)衬底材料。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中将碳化硅列为“新一代信息功能材料及器件”,在《中国制造2025》中明确大尺寸碳化硅单晶衬底为关键战略材料”“先进半导体材料。可以毫不夸张地说,碳化硅已成为全球半导体产业的前沿和制高点。从整体上来看,碳化硅半导体完整产业链包括:碳化硅原料-晶锭-晶片-外延-芯片-器件-模块,如图1所示。在LED的制备过程中,上游的碳化硅晶片(衬底)材料是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。

               

1 碳化硅半导体产业链(图片来源:碳化硅半导体技术及产业发展现状)

衬底材料的性能要求

衬底材料是氮化镓外延膜生长的基础,同时又是构成LED器件的主要组成。衬底材料表面粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、与外延材料间晶格匹配程度等指标深刻影响着所生产高亮度LED的发光效率与稳定性。表1展示了合格的衬底材料所要考察的性能要求及其解释。

1 衬底材料性能要求及其解释


常见衬底材料的性能对比

目前,常见的衬底材料有蓝宝石(Al2O3)、单晶硅和碳化硅。碳化硅具有多种晶型,可分为三大类:立方型(如3C-SiC)、六角型(如4H-SiC)和菱形(如15R-SiC),其中4H-SiC6H-SiC主要用作氮化镓衬底。其主要性质参见表2

2 常见衬底材料主要性质


(数据来源:GaN基发光二极管衬底材料的研究进展


我们可以通过与蓝宝石和单晶硅材料进行对比,看看碳化硅衬底是如何获得研究人员的青睐并突围,成为衬底材料中的高端品种。

晶格失配和热失配方面。蓝宝石晶格失配率13.9%,硅晶格失配率16.9%,而碳化硅的晶格失配率仅为3.4%;热失配率方面,蓝宝石30.3%居中,单晶硅热失配率最高,达到53.48837%,研究人员在对单晶硅衬底上生长氮化镓过程中发现,其薄膜会受到巨大的热应力而导致外延层产生大量缺陷甚至发生龟裂。因此在硅衬底上生长高质量氮化镓薄膜存在很大难度。但是,6H-SiC的热失配率仅有15.92129%。因此,就晶体结构特性而言,4H-SiC6H-SiC的晶体结构与氮化镓均为纤锌矿结构,晶格失配率和热失配率均最低,最适合生长高质量的氮化镓外延层。

导电性能方面。蓝宝石是一种绝缘体,在这种情况下无法制作垂直结构的器件,通常只在外延层上表面制作n型和p型电极。碳化硅和单晶硅具有很好的导电性能,可用来制作垂直型LED,与蓝宝石衬底上制备的水平型器件相比较,碳化硅上制备垂直型器件工艺简单。两种结构的LED如图2和图3所示。垂直型LED由于将导电衬底作为下电极,器件上表面只有一个电极,增大了发光区域面积,另外,垂直型LED具有更加均匀的电流分布密度,避免了水平型结构由于电流密度分布不均匀产生的局部过热,能够承载更高的正向电流。

 


2 水平型结构LED

(图片来源:GaN基发光二极管衬底材料的研究进展)

 


3 垂直性结构LED

(图片来源:GaN基发光二极管衬底材料的研究进展)

 

导热性能方面。蓝宝石的散热性能差,300K时仅为0.3 W·cm-1·K-1,单晶硅在300K时热导率为1.3 W·cm-1·K-1,均远低于碳化硅晶体的热导率。此外,碳化硅制成的垂直型LED较蓝宝石的水平型LED,产生的热量能够从电极两端导出,因此更为适合作为大功率LED的衬底材料,并拥有更长的使用寿命。

光学性能方面。蓝宝石和碳化硅均不吸收可见光,硅衬底对光的吸收严重,LED出光效率低。

不过,碳化硅衬底并不是样样全能,其最大的问题就是晶片的生产问题。蓝宝石是目前商业应用最为广泛的LED衬底材料,蓝宝石采用熔体法生长,工艺更成熟,可获得较低成本、较大尺寸、高质量的单晶,适合产业化发展。同样,单晶硅生长技术高度成熟,容易获得低成本、大尺寸(6-12英寸)、高质量的衬底,可以大大降低LED的造价。但是,生长高质量、大尺寸碳化硅单晶难度较大,且碳化硅为层状结构易于解理,加工性能较差,容易在衬底表面引入台阶状缺陷,影响外延层质量。同尺寸的碳化硅衬底价格为蓝宝石衬底的几十倍,高昂的价格限制了其大规模应用。目前,碳化硅衬底材料生产的企业有天科合达、中科钢研、山东天岳等。其中,山东天岳是全球第4家实现了高品质碳化硅衬底材料量产的企业,个别产品仅有美国Gree与山东天岳可以批量生产。

 


4 4H-导电型碳化硅衬底材料(图片来源:山东天岳官网)

总结

通过以上对三种衬底材料具体性能的比较,我们可以通过优、良、差三个评级,直观地得到最后结果,如表3所示。

3 常见三种衬底材料性能比较结果


综合而言,碳化硅晶体与氮化镓晶格失配和热失配率低,可以生长出高质量的氮化镓薄膜;导电性优良,可以做成垂直LED结构;导热性优良,使用寿命长,适合大功率LED制备;光学性能优良,不吸收可见光,出光效率高。但是,虽然碳化硅晶体非常适合作为LED衬底材料,但成本较高,其相关技术与专利面临着国际垄断,这是未来亟需解决的问题。

参考文献

1、碳化硅半导体技术及产业发展现状;中国科学院半导体研究所,刘兴昉,陈宁。

2GaN基发光二极管衬底材料的研究进展;中国科学院上海硅酸盐研究所,陈伟超,唐慧丽,罗平,麻尉蔚,徐晓东,钱小波,姜大朋,吴锋,王静雅,徐军;中国科学院大学,陈伟超。

By:火宣

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