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新一代GaN基LED襯底材料

更新時間:2012-01-19 11:07:00點擊次數:1635次字號:T|T


以GaN為代表的第三代半導體材料是近十幾年來國際上倍受重視的新型半導體材料,在白光LED、短波長激光器、紫外探測器以及高溫大功率器件中具有廣泛的應用前景。然而,由于GaN特殊的穩定性(熔點2791K,融解壓4.5GPa),自然界缺乏天然的GaN體單晶材料,當前的主要工作都是在藍寶石、SiC等襯底上異質外延進行的。由于GaN與襯底間的晶格失配和熱失配,導致異質外延GaN薄膜中具有高的位錯密度,位錯會形成非輻射復合中心和光散射中心,大大降低光電子器件的發光效率。另外,異質外延也給器件帶來了一些別的問題,如解理困難、散熱性差等。因而開發適合規模制造的GaN襯底材料工藝對發展GaN半導體器件產業至關重要。
當前用于GaN基LED的襯底材料比較多,但是能用于商品化的襯底目前只有兩種,即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發階段,離產業化還有一段距離。
1、 GaN基板
GaN的特點: GaN單晶材料是最理想的襯底,可大大提高外延膜的晶體質量,降低位錯密度,提高器件工作壽命,提高發光效率,提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難,生產成本高。
GaN基板的發展現狀:世界許多大公司和研究機構在GaN襯底技術方面投入巨大的人力和物力進行研究,多家單位已經宣稱獲得了GaN基板。在商用GaN襯底的供應方面,目前有日本的住友電氣(Sumitomo Electric)、日立電纜(Hitachi Cable)、三菱化學(Mitsubishi)、古河金屬機械(Furukawa)、美國的Cree、Kyma、TDI、波蘭的TopGaN以及法國的Lumilog等公司可提供,但生產規模都很小,價格也高達幾千美元/片,目前主要用于激光二極管的生產,其價格只有接近藍寶石襯底價格,才有機會大規模用于發光二極管之生產制造。不過,相對于Cree、Nichia等大公司在碳化硅、藍寶石襯底上成熟的LED器件水平,前者發光效率達到了208lm/W,后者也超過了145lm/W,GaN襯底上白光LED效率要明顯偏低,還有很大的上升空間。
2、鋁酸鋰基板(LAO)
鋁酸鋰基板(LAO)為一種新型的高功率藍白光LED基板。該晶圓基板之特點在于與氮化鎵(GaN)磊晶層的晶格不匹配率只有1.4%,相對于傳統的藍寶石(Al2O3)基板和GaN磊晶層的晶格不匹配率達17%,有機會大幅提升氮化鎵LED的質量。除了可應用在高功率藍、白、綠光氮化鎵LED磊晶基材,亦可應用在非極性氮化鎵基材(Non-polar GaN LED),

是目前解決因極化效應所產生LED組件效能降低的方案之一。
3、Si基板
在硅襯底上制備發光二極體是本領域中夢寐以求的一件事情,因為一旦技術獲得突 破,外延片生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優點,如晶體品質高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導電性、導熱性和 熱穩定性等。然而,由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配,以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅,所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級品質的GaN材料。另外,由于硅襯底對光的吸收嚴重,LED出光效率低。
4、ZnO
之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底,是因為他們兩者具有非常驚人的相似 之處。兩者晶體結構相同、晶格失配度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續值小,接觸勢壘小)。但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生 長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前,ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料品質達不到器件水準和P型摻雜問題沒有真 正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。

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