什么是LED襯底材料？LED襯底有哪些？

　　LED照明即是發光二極管照明，是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。由于LED的壽命長，安全可靠，環保節能，色彩多樣，所以自從LED發明以來，很快就獲得世人的認可。全球都投入了大量的人力、財力去研究和開發。

　　我國LED產業起步于20世紀70年代，經過40多年的發展，中國LED產業已初步形成了包括LED外延片的生產、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產品應用在內的較為完整的產業鏈。在“國家半導體照明工程”的推動下，我國LED下游產業有了長足的發展，但是上游的LED產業仍然需要進一步的投入，以趕上日本，美國和歐洲。

　　 襯底材料的要求

　　當今大部分的芯片是GaN，GaN的生長方法有很多種，但是由于尚未解決單晶生產工藝，目前還是在襯底上進行外延生長，是依靠有機金屬氣象沉積法在相關的異型支撐襯底上生長的［1］。這樣，襯底材料的選用就是我們首要考慮的問題。要想采用哪種合適的襯底，需要根據設備和LED器件的要求進行選擇［2］。目前來說，好的襯底材料應該有以下九方面的特性：

　　（1）結構特性好，晶圓材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小。

　　（2）接口特性好，有利于晶圓料成核且黏附性強。

　　（3）化學穩定性好，在晶圓生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。

　　（4）熱學性能好，要具備良好的導熱性。

　　（5）導電性好，有利于襯底電極的制備［3］。

　　（6）光學性能好，制作的器件所發出的光被襯底吸收小。

　　（7）機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。

　　（8）價格低廉。

　　（9）大尺寸，一般要求直徑不小于2英寸。

　　表1中列舉了常見的襯底材料的結構和晶格常數［4］。

　　 襯底材料種類

　　目前一般采用諸如在藍寶石、SiC、Si、GaAs或其它襯底材料上生長GaN［5］。

　　 藍寶石襯底材料

　　目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是藍寶石。

　　藍寶石的組成為氧化鋁（Al2O3），是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，其晶體結構為六方晶格結構。它常被應用的切面有A-Plane，C-Plane及R-Plane。由于藍寶石的光學穿透帶很寬，從近紫外光（190nm）到中紅外線都具有很好的透光性。因此被大量用在光學元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高（2045℃）等特點，它是一種相當難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質取決于氮化鎵磊晶（GaN）的材料品質，而氮化鎵磊晶品質則與所使用的藍寶石基板表面加工品質息息相關，藍寶石（單晶Al2O3）C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小，同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石晶片成為制作白/藍/綠光LED的關鍵材料。

　　 藍寶石晶體的生長方法

　　柴氏拉晶法（Czochralski method），簡稱CZ法。先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠。

　　凱氏長晶法（Kyropoulos method），簡稱KY法，國內稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法（Czochralski method）類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種（SeedCrystal，又稱籽晶棒）接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個單晶晶碇。

　　 藍寶石的優缺點

　　藍寶石的優點：（1）生產技術成熟、器件質量較好；（2）穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；（3）機械強度高，易于處理和清洗。

　　藍寶石的不足：（1）晶格失配和熱應力失配，會在外延層中產生大量缺陷；（2）藍寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個電極，造成了有效發光面積減少；（3）增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。

　　 碳化硅襯底材料

　　碳化硅襯底（美國CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。

　　碳化硅的優點：碳化硅的導熱系數為490W/m·K，要比藍寶石襯底高出10倍以上。

　　碳化硅的不足：碳化硅制造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。

　　 硅襯底材料

　　相對藍寶石和SiC而言，Si材料具有低成本、大面積、高質量、導電導熱性能等優點，且硅工藝技術相對成熟，Si襯底上生長GaN薄膜有望實現光電子和微電子的集成。而且，S襯底非常便宜，制備工藝很成熟，可以大面積獲得；并且，采用這些襯底來生長GaN材料，有望將來GaN光電器件與成熟的Si和GaAs電子器件集成在一起。但是，由于Si襯底與GaN外延層之間巨大的晶格失配和熱失配，這使Si襯底上的GaN材料產生大量的位錯和裂紋，這為Si襯底上GaN的生長和研究設置了障礙。 　　硅襯底的優點：硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。硅襯底垂直芯片采用銀作為P電極，相比藍寶石芯片采用ITO做P電極，導電性能提高了10倍以上，具有良好的電流擴散特性，具備低電壓、高光效的特點，可以在大電流下工作。硅的導熱系數是藍寶石的5倍，良好的散熱性使硅襯底LED具有高性能和長壽命。同時，硅襯底可以實現無損剝離，消除了襯底和氮化鎵材料層的應力，硅襯底芯片具有N面朝上、單面出光無側光、發光形貌為朗伯分布以及容易匹配二次光學的特點，更適合指向性照明。硅襯底大功率LED芯片非常適合陶瓷共晶封裝。

　　硅襯底的不足：陶瓷共晶封裝在行業內是高端的封裝技術，要求高，難點多。

　　 其他襯底材料

　　 氮化鎵襯底

　　用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可以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，到目前為止還未有行之有效的辦法。

　　 氧化鋅襯底

　　由于氧化鋅與GaN性能相近，ZnO在a軸方向與GaN的失配度是1.9%，在c軸方向與GaN的失配度是0.4%。與藍寶石相比，ZnO失配度小，匹配較好。除此之外，ZnO還具有易于制備、容易被醋酸腐蝕的優點。在有些應用中，通過對ZnO選擇性腐蝕，能夠實現GaN層與襯底相分離［4］。同時由于氧化鋅本身也是重要的電致發光材料，相比其他材料能進行同質外延，其發展優勢顯而易見。

　　 鋁酸鋰襯底

　　LiAlO2是一種最具發展前景的襯底材料，正方晶系γ-LiAlO2與氮化鎵的結構比較接近。

　　因為γ-LiAlO2擁有低的熱膨脹系數，所以在外延薄膜生長的過程中不需要緩沖層消除應力來降低差排密度，而在襯底材料的制備上，比較LiAlO2的（100）面與（001）面，會發現（001）面在拋光的過程中容易產生很多的縫隙與刮痕，其主要的原因是因為γ-LiAlO2在（100）面結構非常接近GaN的（001）面結構。

　　又因為（100）面比較容易研磨、拋光，而且γ-LiAlO2會被水慢慢的腐蝕，所以在拋光的過程中可以利用水作為拋光液［5］，因此可以降低襯底的植被成本，Hellman等人［6］已經成功地在LiAlO2襯底上生長GaN薄膜。因此在未來的應用上鋁酸鋰最具發展空間。

　　 結語

　　襯底材料作為半導體照明產業的技術發展的基石，是半導體產業的核心，具有重要地位。其中藍寶石、碳化硅是目前應用較多的襯底材料。而未來的襯底材料目前由于成本或設備原因未能大規模生產，在未來具有巨大的發展空間。

　　LED護欄組成是依賴什么原理考量的？

　　單色的LED護欄燈我們一般稱之為LED輪廓燈，LED護欄管；七彩的我們稱之為LED數碼管；

　　LED數碼管按控制方法分則分為：內控和外控；區別在于是否有單獨的信號接頭和電源接頭；信號接頭一般采用四芯的信號接頭，設計原理大同小異；電源接頭則采用兩芯的。

　　LED數碼管按效果和段數分則可以分為：單段的，三段的，六段的，八段的，十二段的，十六段的，市場上還有一些二十四段的或更高段數的。常用的還是六段，八段，十六段居多。

　　所謂段，指的就是截，真六段的就可以分為六截；如果從效果上來說，可以說是像素，比如真六段108燈的，那就是18個燈珠為一個像素，或者為1段；那十六段144燈的，就是由16個像素（9燈一段）組成的。

　　單段LED數碼管

　　技術參數：D50*37*1000MM，透明/奶白PC外管，108燈/144燈；電壓：220V/24V

　　效果：整體七彩漸變，跳變效果；單段不能出流水效果；

　　應用：適用于一些要求不高，或政府部門的辦公樓體；通過編號可以達到招牌底部掃描效果。

　　三段LED數碼管

　　技術參數：D50*50*1000MM，透明/奶白PC外管，108燈；電壓：220V

　　效果：整體七彩漸變，跳變效果；單條流水效果；

　　應用：適用于一些要求不高，或政府部門的辦公樓體；

　　外控真六段LED數碼管

　　技術參數：D50*50*1000MM，透明/奶白PC外管，108燈/144燈；電壓：24V；

　　效果：通過控制器可以出七彩漸變，跳變效果；流水，掃描，追逐，脫尾，開關門，全彩飄效果；

　　應用：適用于KTV，酒店等大型商業場所樓體輪廓亮化，也適用于橋梁或公路兩邊護欄亮化；

　　真六段外控LED數碼管；管上可以明顯分出六段，但這六段是不停變化的，不要誤解了。

　　外控真八段LED數碼管

　　技術參數：D50*50*1000MM，透明/奶白PC外管，144燈；電壓：DC12V；

　　效果：通過控制器可以出七彩漸變，跳變效果；流水，掃描，追逐，脫尾，開關門，全彩飄效果；另可做數碼招牌，可以出各類花型。

　　應用：適用于KTV，酒店等大型商業場所樓體輪廓亮化，LED數碼管屏招牌制作；也適用于橋梁或公路兩邊護欄亮化等。

　　真八段外控LED數碼管；管上可以明顯分出八段，但這八段也是不停變化的。

　　外控十六段全彩LED數碼管

　　144珠LEDS（超高亮度燈珠）

　　電壓：DC12V

　　瓦數：12W

　　規格：D50*50*1000mm

　　材質：進口PC外管（乳白管）；全波纖PCB板

　　效果：可產生漸變、閃變、掃描、追逐、流水；以及播放各種動畫及視頻，圖案和文字。

　　控制方法：CF卡控制器，八通信號連接，無需分控，可控制512M

　　應用范圍：橋梁裝飾照明、建筑物勾勒輪廓、全彩數碼招牌、城市其他需要裝飾照明之處。本產品特別適合應用于大型動感光帶之中，可產生彩虹般絢麗的效果。