1.4 LED外延片相关资料

外延生长的基本原理是，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有控制地输送到衬底表面，生长出特定的单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用金属有机物化学气相沉积方法。

LED外延片衬底材料是半导体照明产业发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术。衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。

LED外延片衬底材料的选择原则如下。

①结构特性好。外延材料与衬底的晶体结构相同或相近，晶格常数失配度小，结晶性能好，缺陷密度小。

②界面特性好。有利于外延材料成核且黏附性强。

③化学稳定性好。在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀。

④热学性能好。导热性好，热失配度小。

⑤导电性好。能制成上下结构。

⑥光学性能好。器件所发出的光被衬底吸收小。

⑦机械性能好。器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等。

⑧价格低廉。

⑨大尺寸。一般要求直径不小于2英寸。

⑩容易得到规则形状衬底（除非有其他特殊要求），与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流。

（11）在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。

衬底的选择要同时满足以上11个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。

1．红黄光LED

红黄光LED以GaP（二元系）、GaAlAs（三元系）和InGaAlP（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生长红黄光LED时，一般使用GaAlAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长InGaAlP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，所以容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收光子，所以通常使用布拉格反射镜或晶片键合技术。

（2）GaP衬底。在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，其波长范围较宽，为565～700nm；在使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长为630～650nm；而使用MOCVD时，一般生长InGaAlP外延结构，该结构很好地解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和InGaAlP结构。另外，GaP基的III-N-V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）。采用该结构制造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。

2．蓝绿光LED

用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的目前只有两种，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是氮化镓单晶材料，它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。氮化镓厚膜的优点非常明显，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低。但其价格昂贵，因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底应用受到了限制。

（2）蓝宝石衬底。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。但是，其导热性差，尤其在功率型器件大电流工作时。

（3）SiC衬底。除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底的是SiC。SiC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，但其价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si的水平、机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，因此不适合用来研发380nm以下的紫外LED。由于SiC衬底具有优异的导电性能和导热性能，所以不需要像Al2O3衬底上的功率型氮化镓LED那样采用倒装焊技术解决散热问题，而采用上下电极结构。

（4）Si衬底。在硅衬底上制备发光二极体是梦寐以求的一件事情，因为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，导电性、导热性和热稳定性良好等。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的器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，所以LED出光效率低。

（5）ZnO衬底。ZnO可作为GaN外延片的候选衬底，因为两者具有惊人的相似之处。ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3.37eV，属直接带隙，与GaN、SiC、金刚石等禁带宽度较宽的半导体材料相比，它在380nm附近的紫光波段的发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体镭射器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以用水为氧源，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，但是并没有推广，因为其发光效率较低，而且自补偿效应的影响使其性能不稳定，器件寿命较短。

3．LED外延片生产商简介

1）日亚化工（http：//www.nichia.co.jp）

日本日亚化工（NichiaCorporation）是GaN系的开拓者，在LED和激光领域居世界首位，在蓝色、白色LED市场也遥遥领先于其他同类企业。它以蓝色LED的开发而闻名于全球，与此同时，它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。荧光粉除了灯具专用的以外，还有CRT专用、PDP专用、X光专用等类型，这成为日亚化工LED事业的坚实基础。除此以外，日亚化工还生产磁性材料、电池材料及薄膜材料等精细化工制品，广泛地涉足于光的各个领域。

在LED的生产中，多数是白色LED，主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。此外，日亚化工是世界上唯一一家可以同时量产蓝色LED和紫外线LED的厂商。以此为基础，日亚化工不断开发新产品，特别是在SMD（表面封装）型的高能LED方面，新品层出不穷。

目前日亚化工的紫外460nmLED，外部量子效率达到36%，白色发光效率达到60lm/W。

2）丰田合成（http：//www.toyoda-gosei.com）

1986年，丰田合成（ToyodaGosei）利用在汽车零部件薄膜技术方面的积累，开始展开LED方面的研发工作。1987年，丰田合成成功地在蓝宝石上形成了LED电极。因此，丰田合成被誉为“蓝色LED的先锋”。

为了攻夺市场份额，丰田合成意图提高白色LED的光亮度，于2004年开发出光亮度为1000mcd级的白色LED“TGWHITEⅡ”，比原来的600～700mcd亮了很多。不久，丰田合成又开始开发1300mcd的白色LED。

此外，汽车导航系统和计算机专用液晶控制器、TV专用大型液晶的背光等也是丰田合成的目标市场。

3）PhilipsLumileds照明（http：//www.philipslumileds.com）

PhilipsLumileds照明是世界著名的LED生产商，在固态照明应用领域中居领先地位。Luxeon是首次将传统照明与具有小针脚、长寿命等优点的LED相结合的高功率发光材料。PhilipsLumileds照明也提供核心LED材料和LED封装产品，是世界上最亮的红光、琥珀光、蓝光、绿光和白光LED生产商。

4）Lumination（http：//www.lumination.com）

GELcore是GE照明与EMCORE公司的合资公司，创建于1999年1月，总部位于美国新泽西州。GELcore致力于高亮度LED产品的研发和生产，并逐步转变了人们对照明的认识。GELcore现有的产品包括大功率LED交通信号灯、大型景观灯、其他建筑、消费和特殊照明应用等。通过把电子、光学、机械和热能管理等各个领域的技术相结合，GELcore加快了LED技术的应用并创造了世界级的LED系统。

2007年2月7日，原由GE和Emcore合资成立的公司GELcore改名为Lumination。

5）大洋日酸（http：//stableisotope.sanso.co.jp）

大洋日酸公司（TaiyoNipponSanso）研发了用于生产LD和LED产品的MOVPE设备。到目前为止，大洋日酸已经为有着不同需求的客户提供了超过450台的MOCVD设备。其中的GaN-MOCVDSR系列，包括SR-2000和SR-6000是专门为蓝色镓氮LED、半导体激光和电子设备的研究和生产而设计的。

6）科税（http：//www.cree.com/cn/）

科锐（Cree）公司建于1987年，位于美国加利福尼亚州，研制开发并生产基于碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硅（Si）和相关化合物的材料与设备。其产品包括绿光、蓝光和紫外光LED，近紫外激光、射频和微波半导体设备，电源转换设备和半导体集成芯片。

7）欧司朗（http：//www.osram-os.com）

欧司朗（OSRAM）是全世界最大的两个照明生产商之一，建于1919年，总部位于慕尼黑。OSRAM已经从一个传统的灯泡厂商发展成为照明领域的高科技公司。

8）首尔半导体（http：//www.acriche.com）

首尔半导体是韩国最大的LED环保照明技术生产商，其主要生产全线LED组装及定制模块产品，包括采用交流电驱动的半导体光源产品，如Acriche、侧光LED、顶光LED、切片LED、插件LED及食人鱼（超强光）LED等。其产品已广泛应用于一般照明、显示屏照明、移动电话背光源、电视、计算机、汽车照明、家居用品及交通信号等。