Прорыв подложки из карбида кремния в светодиодной промышленности
Карбид кремния обладает такими преимуществами, как высокая теплопроводность (в три раза выше, чем у кремния) и малое несоответствие решетки с нитридом галлия (4%), что подходит для нового поколения материалов подложек для светодиодов (LED). Без преувеличения можно сказать, что карбид кремния стал передовым и главным в мировой полупроводниковой промышленности. В процессе подготовки светодиодов материал подложки карбида кремния является основным фактором, определяющим цвет, яркость, срок службы и другие показатели эффективности светодиодов.
Требования к характеристикам материала подложки
Материал подложки является основой эпитаксиального роста пленки нитрида галлия, а также основным компонентом светодиодных устройств. Шероховатость поверхности материала подложки, коэффициент теплового расширения, коэффициент теплопроводности, степень соответствия решетки между эпитаксиальными материалами и другие показатели оказывают глубокое влияние на световую эффективность и стабильность работы светодиодов высокой яркости.
1. Несоответствие решетки и тепловое несоответствие
Уровень несоответствия решетки сапфира составил 13,9 %, решетки кремния - 16,9 %, а карбида кремния - всего 3,4 %. По уровню теплового несоответствия сапфир находится в середине - 30,3 %, а монокристаллический кремний имеет самый высокий уровень теплового несоответствия (53,48837 %).
В процессе выращивания нитрида галлия на монокристаллической кремниевой подложке исследователи обнаружили, что пленка нитрида галлия будет подвергаться большим тепловым нагрузкам, что приведет к появлению большого количества дефектов или даже трещин в эпитаксиальном слое, поэтому очень трудно вырастить высококачественную пленку нитрида галлия на кремниевой подложке. Однако коэффициент теплового рассогласования 6H-SiC составляет всего 15,92129 %. Таким образом, с точки зрения характеристик кристаллической структуры, кристаллическая структура 4H-SiC и 6H-SiC и нитрид галлия являются вюртцитными структурами, с наименьшим коэффициентом рассогласования решетки и коэффициентом теплового рассогласования, что наиболее подходит для выращивания высококачественного эпитаксиального слоя нитрида галлия.
2. Электропроводность
Сапфир является изолятором и не может быть использован для изготовления вертикально структурированных устройств, поэтому электроды n- и p-типа обычно делаются только на поверхности эпитаксиального слоя. Карбид кремния и монокристаллический кремний обладают хорошей проводимостью и могут быть использованы для изготовления вертикальных светодиодов. Поскольку в качестве нижнего электрода используется проводящая подложка, на верхней поверхности вертикального светодиодного устройства находится только один электрод, что увеличивает площадь светящейся области. Кроме того, вертикальный светодиод имеет более равномерную плотность распределения тока, что позволяет избежать локального перегрева, вызванного неравномерным распределением плотности тока в горизонтальной структуре, и может выдерживать более высокий положительный ток.
3. Теплопроводность
Сапфир имеет плохие показатели теплоотдачи, всего 0,3 Вт-см-1- к-1 при 300K, а теплопроводность монокристаллического кремния при 300K составляет 1,3 Вт-см-1- к-1, что намного ниже, чем теплопроводность кристалла карбида кремния. По сравнению с сапфировым горизонтальным светодиодом, вертикальный светодиод из карбида кремния может генерировать тепло с обоих концов электрода, поэтому он больше подходит для материала подложки мощного светодиода и имеет более длительный срок службы.
4. Оптические характеристики
Сапфир и карбид кремния не поглощают видимый свет, в то время как кремниевая подложка серьезно поглощает свет, и выходная эффективность светодиода низкая.
Тем не менее, подложки из карбида кремния не являются универсальными, и самая большая проблема заключается в производстве пластин. Сапфир - самый распространенный материал для подложек светодиодов, используемый в настоящее время в коммерческих целях. Сапфир выращивается методом расплава, и этот процесс является более зрелым. Он позволяет получить монокристалл с более низкой стоимостью, большим размером и высоким качеством, что подходит для промышленного развития. Аналогично, технология выращивания монокристаллического кремния очень развита и позволяет легко получать недорогие, большого размера (6-12 дюймов), высококачественные подложки, что может значительно снизить стоимость светодиодов.
Однако вырастить монокристалл карбида кремния высокого качества и большого размера довольно сложно. Ламинарная структура карбида кремния легко поддается расщеплению и плохо поддается механической обработке, поэтому на поверхности подложки легко появляются ступенчатые дефекты, влияющие на качество эпитаксиального слоя. Подложки из карбида кремния одинакового размера в десятки раз дороже сапфировых, что ограничивает их масштабное применение.
