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为什么选择碳化硅做器件的衬底

发布时间:2020/07/22
为什么选择碳化硅做器件的衬底

  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。

衬底材料性能要求

解释

晶体结构特性好

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

界面特性好

有利于外延材料成核且粘附性强

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,不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。

热学性能好

导热性好和热失配度小,尤其衬底与外延膜热膨胀系数的匹配非常重要,若相差太多会使外延膜质量下降。

导电性好

能制成上下结构

光学性能好

制作的器件所发出的光被衬底吸收小

加工性好

器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等

价格低廉

产业化发展需要,成本不宜过高。

尺寸大

一般要求直径不小于2英寸

 

  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-SiC和6H-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)

图片1.png 

  让我们对比蓝宝石、Si、SiC。

  失配方面。对于GaN晶格失配率,蓝宝石为13.9%,Si为16.9%,而SiC仅为3.4%;热失配率,蓝宝石为30.3%,Si为53.5%,SiC仅有15.9%。因此,就晶体结构特性而言,4H-SiC和6H-SiC的晶体结构与GaN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GaN外延层。

  导电性方面。蓝宝石是绝缘的,没法制备垂直型器件。

  热导率方面。蓝宝石的热导率仅为0.3W·cm-1·K-1,Si的热导率为1.48W·cm-1·K-1,均远低于SiC的热导率3.4W·cm-1·K-1。

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

  综述,碳化硅衬底对于生长氮化镓有着众多的优势。


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