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      LED燈珠知識

      燈珠行業動態

      led襯底材料有哪幾種_led芯片襯底材料有哪些

      發布時間:2022-05-29 15:44:10 | 瀏覽次數:


      LED襯底材料大全:

      LED襯底材料的概念、作用、種類及性能比較

      概念:

      襯底又稱基板,也有稱之為支撐襯底。

      作用:

      襯底主要是外延層生長的基板,在生產和制作過程中,起到支撐和固定的作用。且與外延層的特性配合要求比較嚴格,否則會影響力到外延層的生長或是芯片的品質。

      LED襯底材料的種類

      目前市面上GaN基系列一般有三種材料可作為襯底:藍寶石(Al2O3);硅(Si);碳化硅(SiC)。

      除了以上三種常用的襯底材料之外,還有GaAs、AlN、ZnO等材料也可作為襯底,通常根據設計的需要選擇使用。

      1、藍寶石襯底

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      通常,GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。

      優點:

      藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好

      藍寶石的穩定性很好能夠運用在高溫生長過程中

      藍寶石的機械強度高,易于處理和清洗

      缺點

      晶格失配和熱應力失配,導致外延層中產生大量缺陷,同時給后續的器件加工工藝造成困難;

      藍寶石是絕緣體,電阻率大于1011Ω·cm,無法制作垂直結構的器件;

      在外延層上表面制作n型和p型電極,造成了有效發光面積減少,同時增加了器件制造中的光刻和刻藝過程,使材料利用率降低、成本增加;

      藍寶石的硬度非常高,僅次于金剛石,需要的對它進行薄和切割,又增加一筆較大的投資;

      藍寶石的導熱性能不是很好

      2、硅襯底

      目前有部分LED芯片采用硅襯底。

      硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式,分別是L接觸(Lateral-contact , 水平接觸)和V接觸(Vertical-contact,垂直接觸),簡稱為L型電極和V型電極。

      通過這兩種接觸方式,LED芯片內部的電流可以是橫向流動的,也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動,因此增大了LED的發光面積,從而提高了LED的出光效率。

      因為硅是熱的良導體,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。

      3、碳化硅襯底

      SiC是IV-IV族二元化合物,也是元素周期表IV族元素中唯一的穩定固態化合物,一種重要的半導體材料。

      具有優良的熱學、力學、化學和電學性質,不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一,同時又可以用作基于GaN的藍色發光二極管的襯底材料。

      帶寬隙半導體材料SiC所制功率器件可以承受更高電壓、更大電流、耗盡層可以做的更薄,因而工作速度更快,可使器件體積更小、重量更輕。

      碳化硅襯底的導熱性能(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;

      使用碳化硅襯底的芯片電極為L型,兩個電極分布在器 件的表面和底部,所產生的熱量可以通過電極直接導出;同時這種襯底不需要電流擴散層,因此光不會被電流擴散層的材料吸收,這樣又提高了出光效率。

      但是相對于藍寶石襯底而言,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。另外,SiC襯底吸收380納米以下的紫外光,不適合用來研發380納米以下的紫外LED。

      4、氮化鎵

      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。

      5、氧化鋅

      ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底,是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續值小,接觸勢壘小)。

      但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。

      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,主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。

      6、襯底的性能比較

      (1)藍寶石、硅和碳化硅三種襯底的性能比較

      (2)用于氮化鎵生長的襯底材料性能優劣比較

      現在GaN基led燈珠使用的基板材料比較多,用于商品化的基板有藍寶石和碳化硅基板兩種。其他的例如GaN、Si、ZnO基板還處于研究開發階段,離產業化還有距離。

      氮化鎵(GaN)

      GaNled燈珠用于生長的最理想的基板是GaN單晶體材料,能夠大幅度地推進外延膜的結晶質量,位錯密度,能夠降低前進元件工作壽命、前進發光功率、前進元件工作電流密度。但是GaN體制備單個晶體非常困難,到目前為止沒有有效的方法。

      藍寶石Al2O3

      GaNled燈珠在生長中最廣泛使用的基板是Al2O3。其優點是化學穩定性好,不吸收可見光,價格適中,制作技術比較舊。導熱性差的話,在元件小電流工作中沒有明顯的缺陷,但是在功率型元件大電流工作中問題非常好。

      碳化硅SiC

      SiC作為基板材料使用的面積僅次于藍寶石,現在沒有用于GaNled燈珠商業化的第三基板。

      SiC基板的化學穩定性好,導電性好,導熱性好,不吸收可見光等缺點也很好,但是價格太高,結晶質量不好Al2O3和Si,機械加工功能差,其他SiC基板吸收380納米以下的紫外線不適合開發380納米以下的紫外線LED。

      SiC由于基板的有利導電性和導熱性,能夠更好地處理功率型GaNled燈珠裝置的散熱問題,因此在半導體照明技術領域占據重要的方向

      與藍寶石相比,SiC和GaN外延膜的晶格匹配得到改善。另外,SiC具有藍色發光特性,且是低電阻材料,能夠制作電極,能夠在封裝前對外延材料進行完全檢查,SiC提高了作為基板材料的競爭力。

      由于能夠容易地理解SiC的層狀結構,所以能夠在基板和外延膜之間獲得高質量的解理面,這大大簡化元件的結構。然而,由于它們的層狀結構,經常出現在襯底表面上引入許多缺陷的臺階。

      氧化鋅(ZnO

      ZnO能夠成為GaNled燈珠外延的候補基板是因為兩者具有令人吃驚的類似點。兩者的晶體結構相同,晶格識別度非常小,禁止帶寬接近(帶不連續值小,接觸屏障?。?。然而,ZnO作為外延基板的GaN創傷缺陷容易在GaNled燈珠外延生長的溫度和環境中分解和腐蝕。

      目前,ZnO半導體材料不能用于光電子器件和高溫電子器件的制造,主要沒有實際處理材料質量達不到設備水的陡峭的p型摻雜問題,ZnO適合于基礎半導體材料的生長的設備開發不成功。

       
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