商品化的衬底 - LED外延片及其质量辨别

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三种，即蓝宝石和碳化硅以及硅衬底。其它诸如GaN、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。

　　氮化镓：

　　用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。

　　氧化锌：

　　ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。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，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

　　蓝宝石：

　　用于GaN生长最普遍的衬底是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。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

　　碳化硅：

　　SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前中国的晶能光电的江风益教授在Si衬底上生长出了可以用来商业化的LED外延片。Si衬底在导热性、稳定性方面要优于蓝宝石，价格也远远低于蓝宝石，是一种非常有前途的衬底。SiC衬底有化学稳定性好、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，晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。

　　同蓝宝石相比，SiC与GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构;但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

　　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。