在LED晶圓(LED外延片)制程方面，不同的襯底材料，需要不同的磊晶（晶圓生長(zhǎng)）技術(shù)、芯片加工技術(shù)和封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下9個(gè)方面，襯底的選擇要同時(shí)滿足全部應(yīng)該有的好特性。所以，目前只能通過外延生長(zhǎng)技術(shù)的變更和器件加工制程的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。
如果我們來看LED襯底材料，好的材料應(yīng)該有的特性如下：
1、結(jié)構(gòu)特性好，晶圓材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小。
2、接口特性好，有利于晶圓料成核且黏附性強(qiáng)。
3、化學(xué)穩(wěn)定性好，在晶圓生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。
4、熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小。
5、導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu)。
6、光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小。
7、機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。
8、價(jià)格低廉。
9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。
一般說來，LED襯底還有哪些呢？
1、氮化鎵襯底
用于氮化鎵生長(zhǎng)的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高晶圓膜的晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度�？墒牵苽涞夡w單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其它襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度要明顯低；但價(jià)格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。
2、 Al2O3襯底
目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過雷射劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。
3、SiC襯底
除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第2，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al2O3和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前國(guó)際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國(guó)CREE公司。
4、Si襯底
在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域中夢(mèng)寐以求的一件事情，因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破，晶圓生長(zhǎng)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(yōu)點(diǎn)，如晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)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(zhǎng)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(jí)質(zhì)量的GaN材料。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。
5、ZnO襯底
之所以ZnO作為GaN晶圓的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢(shì)壘小）。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)的重點(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法。但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲�，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，可以采用沒有任何毒性的水為氧源，用有機(jī)金屬鋅為鋅源。
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