LED外延片

LED外延生长的基本原理

在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC，Si）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

外延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是良品，其它为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。良品的外延片就要开始做电极（P极，N极），接下来就用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行全自动化分检，也就是形成LED晶片（方片）。然后还要进行目测，把有一点缺陷或者电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。不良品的外延片（主要是有一些参数不符合要求），就不用来做方片，就直接做电极（P极，N极），也不做分检了，也就是目前市场上的LED大圆片。 

LED外延片衬底材料 

当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。 　　

一、红黄光LED 　　

红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石Al2O3和硅衬底。 　

1、GaAs衬底：在使用LPE生长红光LED时，一般使用AlGaAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。 　　

2、GaP衬底：在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，波长范围较宽565-700nm;使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm 之间;而使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构，这个结构很好的解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGaInP结构。另外，GaP基的III-N-V材料系统也引起广泛的兴趣，这种材料结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5 %氮的情况下，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应(650nm)。采用这样的结构制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和晶片键合透明衬底的复杂工艺。 　　

二、蓝绿光LED 　　

用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。 　　

1、氮化镓衬底：用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延片膜的晶体品质，降低位元错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他衬底(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位元错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位元错密度要明显低;但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。　　

2、蓝宝石Al2O3衬底：目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。 　　

3、SiC衬底：除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那麼好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。 　　

4、Si衬底：在硅衬底上制备发光二极体是本领域中梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。 　　

5、ZnO衬底：之所以ZnO作为GaN外延片的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料品质达不到器件水准和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体雷射器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。 　　

6、ZnSe衬底：有人使用MBE在ZnSe衬底上生长ZnCdSe/ZnSe等材料，用于蓝光和绿光LED器件，最先由住友公司推出，由于其不需要荧光粉就可以实现白光LED的目标，故可降低成品，同时电源回路构造简单，其操作电压也比GaN白光LED低。但是其并没有推广，这是因为由于使用MOCVD，p型参杂没有很好解决，试验中需要用到Sb来参杂，所以一般采用MBE生长，同时其发光效率较低，，而且由于自补偿效应的影响，使得其性能不稳定，器件寿命较短。 　　

实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED，实现低成本，也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现，以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。