UV LED的衬底主力,看硅与蓝宝石布局争夺战

发表时间:2022-05-14 09:41
插播:元旭半导体已正式参编2022 UV LED产业调研白皮书

在UV LED中,衬底材料的选用对于外延质量具有重要意义。考虑到晶体结构相似、晶格失配和热膨胀系数差异小等因素,UV LED的衬底通常选用蓝宝石(Al2O3)衬底、硅(Si)衬底、氮化铝(AlN)衬底、碳化硅(6H-SiC)衬底和氮化镓(GaN)衬底。


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不同衬底材料物理参数对比


据了解,在基片/衬底材料领域,蓝宝石无疑占据着龙头地位。举个LED芯片的例子,从衬底材料的使用来看,除了Wolfspeed采用碳化硅衬底、晶能采用硅衬底,目前世界上绝大多数的芯片制造商都采用蓝宝石衬底,在UV LED也是主流使用。因此以下只谈蓝宝石衬底和硅衬底。

蓝宝石衬底仍为目前UV LED主流

据介绍,蓝宝石衬底具有透光性能好、耐高温、抗腐蚀、产品商业化成熟度高(2英寸、4英寸、6英寸)等特点。虽然蓝宝石衬底和AlGaN两者存在一定的晶格失配和热失配,会在外延层中产生一定缺陷,影响生长晶体的均匀性,但其都为六方对称结构,尤其是蓝宝石衬底对紫外光的透射率很高且价格低廉,并且它的导电和导热性差问题可以通过芯片倒装技术来克服。

表面图形化的蓝宝石衬底,特别是纳米图形化蓝宝石衬底(NPSS),由于可通过侧向外延作用降低其上AlGaN外延层的位错密度、释放外延应力、改善晶体质量,以及调制芯片内部光传输路径、提高光提取效率,且工艺难度和成本适中,是未来发展高效UVC LED很有潜力的技术路线之一。


硅衬底UVA-LED与工业固化适配度高

硅衬底具有低成本、大面积、高质量、良好的导电导热性能、易于集成等优点,并且其制备工艺相对成熟;由于硅的导热系数是蓝宝石的5倍,良好的散热性可使硅衬底LED具有高性能和长寿命。


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同时,应用于工业固化的UVA-LED要满足两大要求:一方面,固化需求高能量,需要大电流驱动overdrive,比如,普通照明一般只要350mA的驱动电流,而UVA-LED工作时需要700-1000mA,这就对UV LED芯片的电流扩散和散热提出更高的要求;另一方面,由于UV LED波长较短,其光的穿透能力相对较弱,但要获得好的固化效果,UVA-LED光束必须穿透至固化胶的里层,这就要求光束集中且指向性好。

“硅衬底UVA-LED恰恰能够很好地满足工业固化的两个要求。”此前汤文君(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所)在接受行家说白皮书调研时表示,“硅衬底UVA-LED芯片是垂直电极结构,这种结构利于overdrive,散热性能更好,同时由于只有一个面发光,所以其光束集中,方向性好,容易二次光学。

同时,目前市场上的蓝宝石衬底LED芯片要做成垂直结构,必须采用激光剥离技术,存在伤及芯片本身的风险,产品的可靠性存在隐患;而硅衬底天然的材料特性,使得LED能够轻易得到垂直电极结构,较激光剥离更具有可靠性。


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