碳化硅衬底 半导体照明产业的新血液
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。市面上一般有三种材料可作为衬底：蓝宝石（Al2O3）、硅（Si）、碳化硅（Sic）。其中蓝宝石是使用最多的衬底材料，具有生产技术成熟、器件质量较好、稳定性好、机械强度高、易于处理和清洗等优点。但是它也有许多不能克服的缺点：第一，晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难；第二，蓝宝石是绝缘体，电阻率很大，无法制成垂直结构的器件；第三，通常只在外延层上表面制作N型和P型电极，造成了有效发光面积减少，材料利用率降低；第四，蓝宝石的硬度非常高，仅次于金刚石，难以对它进行薄化和切割；第五，蓝宝石导热性能不是很好，因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量，对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
为了解决上述难题，改善LED器件的导热和导电性能，越来越多的企业开始在光电器件中采用碳化硅或者硅衬底，国内公司在这类衬底材料的研发和加工上亦取得不小进展。
性能优越的碳化硅衬底
目前国内能生产和加工碳化硅衬底的公司有北京天科合达蓝光半导体有限公司、山东天岳先进材料科技有限公司等，能提供硅衬底的有江西晶能光电有限公司。
据天岳总工程师高玉强介绍，碳化硅是一种宽带隙半导体材料，也是目前发展最为成熟的第三代半导体材料。它具有优良的热学、力学、化学和电学性质，不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，同时又可以用作基于氮化镓的蓝光发光二极管的衬底材料，可广泛应用在电力电子领域、微波器件领域和LED光电子领域。宽带隙半导体材料碳化硅所制作的功率器件可以承受更高电源、更大电路、耗尽层可以做得更薄，因而工作速度更快、器件体积更小、重量更轻。其实在微波器件领域，碳化硅早在2006年就完全替代了蓝宝石作为氮化镓外延衬底。
“从材料性能上来讲碳化硅是非常优越的，它的禁带宽度是硅的3倍，饱和电子漂移速率高于硅2倍，临界击穿电场高于硅10倍，高于砷化镓5倍；热导率大于蓝宝石20倍，是砷化镓的10倍；还有它的化学稳定性很好。”高玉强指出。另外，从结构上比较，蓝宝石不是半导体而是绝缘体，它只能做单面电极；碳化硅是导电的半导体，它可以做垂直结构。碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制造器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。而使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。据了解，目前碳化硅衬底LED最高流明效率可达254lm/W。
高玉强表示，碳化硅与氮化镓外延层的结构和晶格常数匹配，化学特性相容，具有高热导率及与外延层热膨胀系数相近等特点，是氮化镓基发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的热门衬底材料之一，将在半导体照明产业扮演重要角色。
美国Cree公司是全球知名的半导体照明解决方案提供商，其市场优势主要就是来源于碳化硅材料以及用此来外延芯片和制备相关器件。此类技术在几年前还是由该公司垄断，现今包括天岳在内的国内企业已经突破了专利壁垒，掌握了具有自主知识产权的碳化硅生产和加工技术。
来自Cree的数据表明，使用碳化硅衬底的LED器件可以做到长达50,000小时的70%光维持率寿命，光衰小，寿命长。高玉强指出，光衰从微观上看其实就是材料的异质外延导致的缺陷增值。衬底上的缺陷主要有微管缺陷和位错缺陷。微管缺陷密度是贯穿半导体材料的一个问题，是表征碳化硅衬底质量最重要的指标，也是衡量不同单位技术水平的重要指标。一般工业级碳化硅衬底要求微管密度小于5个/cm2，目前天岳可以生产微管密度小于1个/cm2的碳化硅衬底。另一个影响衬底质量的缺陷是位错缺陷密度，而且衬底中的位错缺陷还会衍生到外延层，影响器件性能。一般蓝宝石衬底位错密度为十的三次方，外延了氮化镓之后的位错密度至少会达到十的八、九次方，更严重的还可以达到十的十三次方，天岳目前碳化硅衬底外延氮化镓之后只有十的四次方左右，远远小于蓝宝石的。
“世界上能够生产碳化硅单晶的企业极少，最大的碳化硅单晶是Cree公司生产的6英寸单晶，也只有他们一家能做到6英寸，其他最高做到4英寸，目前天岳也是做到4英寸。碳化硅单晶的加工技术很难，但是我们的碳化硅单晶衬底的TTV、BOW、WARP均可达到国际先进水平。现在天岳可年产2万片碳化硅单晶衬底，可批量提供‘开盒即用’衬底。”高玉强介绍道。
应用于大功率LED可望而且可及
一般来说，LED对衬底有许多要求，包括结构特性好、化学稳定性好、热学性能好、导电性好、机械性能好、成本低廉等等。拿蓝宝石、碳化硅和硅这三大衬底材料做对比，从导热系数、膨胀系数、稳定性、导热性、成本、ESD几个方面看，碳化硅除了成本高外其他均占优势(如文中下表所示)。不过目前国内LED产业竞争激烈，对成本要求苛刻，那么价格相对蓝宝石和硅材料较为昂贵的碳化硅衬底在国内能否有好的发展前景？
“技术的发展是让高质量、高技术的产品进入市场，让消费者获益。价格不是普及化的唯一问题，好的产品总会有客户。”高玉强表示。他指出，用碳化硅做光电器件衬底主要挑战是成本仍相对较高、技术门槛较高和专利技术不足，同时也面临着行业垄断者的专利威胁。不过大功率LED市场需求巨大，碳化硅材料性能优越，可以很好满足大功率LED需求。随着国内LED行业日趋成熟、产业链逐渐完善、规模逐渐扩大、产业不断引进高端技术人才、生产加工技术日趋成熟，使材料尺寸和质量迅速提高、价格迅速下降，碳化硅衬底在国内会有很好的发展前景。
“中国LED行业发展面临技术升级和产业重组，要使中国LED产业得到健康发展，就需要多方面综合发展。就上游而言，不仅仅需要发展蓝宝石衬底，也需要发展碳化硅和硅材料衬底。目前在碳化硅衬底上制作大功率LED已经是一件可望而且可及的目标，如果国内广大LED厂商不及时介入将会错失良机。”高玉强说道。其实政府也发布了许多产业政策来推动碳化硅发展，例如在“十二五规划”中就明确提到支持碳化硅等先进半导体技术的开发，工信部、国家发改委和科技部也都有相关政策来支持碳化硅单晶衬底产业化。
“LED市场有高中低端之分，碳化硅衬底LED定位在高端，碳化硅基光电子器件具有功率大、能耗低、发光效率高等显著优势，特别适合制备低能耗大功率白光产品(5W以上)，在未来的路灯和室外照明领域具有巨大的市场潜力，用碳化硅做衬底将只是时间问题。”高玉强说道。