InGaN SiC or Al2O3 材质LED

第八届全国ＬＥＤ产业研讨与学术会议论文集

超高亮度ＩｎＧａＮ蓝、白光ＬＥＤ之碳化硅Ｓｉｃ

与蓝宝石Ａ１２０：底衬材料的探讨

罗超帆Ｔｅｒｅｎｃｅ　Ｌａｗ

华刚国际Ｃｕｍ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌｔｄ

各国在超高ｆ度蓝、白光ＬＥＩ）上的竞争 近年来，在商业上以氮化稼ＧａＮ半导体晶体为材料的高亮度蓝色、白色光源ＬＥＤ的竞争已开始呈现白热化，大家都确认了ＬＥＤ是未来照明的发展方向，因为ＬＥＩ）具备较高的光电效率，从现今单颗白光ＬＥＩ〕的光量度己达２５１ｍ／Ｗ的趋势看来，是有利于克服未来的能源紧张问题，而且ＬＥＩ〕照明是一个有利于环境保护的清洁能源。 经近３０年的发展、红、黄、缘色ＬＥＤ应用已趋成熟。蓝色ＬＥＥ〕到９０年代初才有研究，日本生产的以蓝宝石为底衬的超光亮蓝色ＬＥＤ，与美国的以Ｓｉｃ为底衬的超光亮篮色ＬＥＩ〕各有优势。在９０年代初期，日本

开始研制超光亮蓝色ＬＥＤ，到９０年代中期量产成功，一直到２００１年日本在这方面仍领先美国。后来随着美国的ＭＯＣＶＩ〕及ＭＢＥ晶体外延技术的提高，用Ｓｉｃ为底衬的篮光ＬＥＴ）的光亮度直逼日本，可以预见，超

光亮度及ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＺｎＳｅ之ＭＯＣＶＤ，ＭＢＥ之在蓝宝石Ａ１ｚ马及Ｓｉｃ碳化硅为底衬的外延技术互相竞争

可在未来数年内日趋白热化。 在高亮度蓝色、白色ＬＥＤ领域中，以日本的Ｎｉｃｈｉａ，　ＴＧ公司所生产的ＧａＮ发蓝光之蓝宝石为底衬的超

光亮蓝色ＬＥＩ〕和以美国Ｃｒｅｅ公司所生产的以Ｓｉｃ碳化硅为底衬的超高亮度蓝色ＬＥＩ）之间的竞争己开始由

光亮度的竞争变成应用材料上的竞争，蓝宝石为底衬的ＭＯＭ〕及ＭＢＥ晶体外延技术现己受到Ｓｉｃ为底

衬的ＭＯＣＶＩ）晶体外延技术的挑战。 ９０年代末，随着新技术的改良，ＭＯＭ〕及ＭＢＥ技术所制成的超光亮蓝色ＬＥＴ〕逐渐同步，各国大厂对

Ｓｉｃ及蓝宝石为底衬的外延技木的认识加深欧美日台等很多半导体公司在ＬＥＴ〕材料的科研上大量投人，

ＬｕｍｉＬｅｄｓ，ＡＸＴ，Ｐｈｉｌｉｐｓ，Ｓｉｅｍｅｎ，ＯｓｒａｍＯｐｔｏＳｅｍｉ，　Ｅｐｉｓｔａｒ，　ＴＪＥＣ等一一加人竞争，欧美日台在超光亮蓝色 白光ＬＥＤ之争也渐渐变得激烈。 虽然欧美日台有许多研究所已能研制出纯度高，光亮度大的芯片，但是他们从实验室到工厂的量产化

程度不高，生产未能标准化，成品率差异化，价格未能下降。谁能在这每年有约４７％的增长的高光亮度

ＬＥＤ）的大市场中脱颖而出（技术、人才、资金缺一不可），相信在国际市场的用户会有公平的裁决。

蓝光ＬＥＤ的历史

在１９９０初时已由日本Ｎａｋａｍｕｒａ，中村先生所研制出的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ｄｏｕｂｌｅ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　（ＤＨ）异层结构最为业界所推崇，他是以蓝宝石ａ一ＡＩｚｑ为底衬把ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ｄｏｕｂｌｅ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　（ＤＨ）外延的异

层技术所制成的蓝光ＬＥＤ最为称许，也是日本在蓝光ＬＥＤ方面的权威。 １９９３年，Ｎｉｃｈｉａ公司与Ｔｏｙｏｄａ　Ｇｏｓｅｉ公司共研制的超光亮蓝色ＬＥＩ〕是以蓝宝石为底衬的光亮度己达

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０．７１耐Ｗ　ｔｏ　１０　Ｉｍ／ｗ，约１０００ｍｃｄ的亮度。Ｎｉｃｈｉａ公司用ＡｌＧａＮ一ＩｎＧａＮ一ＧａＮ　ＤＨ的竹异层结构是以蓝

宝石ａ－　Ａ１２０３为底衬的ＬＥＤ．　ＴＧ公司后来用金属一绝缘体一半导体结构（ＭＩＳ）造蓝光ＬＥＤ．

随着Ｎｉｃｈｉａ公司技术缓慢的发展，在１９９４年的蓝色芯片ＬＥＩ）价格是￥３一４／支，１０Ｋ数量。ＴＧ公司直至在１９９５年才有蓝色芯片ＬＥＩ〕推出市场。 １９９５年后，Ｎｉｃｈｉａ公司研制出单量子井结构Ｓｅｗ来代替用ＤＨ结构来制造的蓝及绿色ＬＥＤ，在１９９６

年Ｎｉｃｈｉａ公司掺杂达５０％的Ｉｎｄｉｕｍ锢（三价）在发光激化层获得成功。纯绿波长５２５ｎｍ的ＬＥＩ〕也量产成

功。 Ｓｉｃ底衬材料蓝光ＬＥＤ这一方面的研究，西门子公司和三洋公司都有比较早期的研究，而６Ｈ　Ｓｉｃ碳化

硅的底衬材料在９０年代己经被做为蓝光ＬＥｒ）的材质。到８０年代末，美国ＮＣＵ北卡大学己开始研制在

Ｓｉｃ　＿１＝制造晶体薄膜，可惜价钱太贵而未能商业化。直到１９８９年，美国Ｃｒｅｅ公司宣布ｓｉｃ蓝色４７０ｎｍ已由研发阶段进人商业化应用的阶段。但因光亮度只达０．１　－０．２１ｍ／Ｗ，只能用于户外屏幕使用。

因为浓度、压力、流量、温度控制及晶格的配合是制造外延膜层ＭＯＣＶＩ〕的技术重点，由于各制造商的外延技术中各掺杂元素控制技术、程序各异，故早期的ＭＯＣＶＤ所制成的紫外光ＵＶ及蓝光ＬＥＩ〕的光亮度

不一。 在早期ＭＯＣＶＩ）及ＭＢＥ反应炉的设计，加上制成ＧａＮ薄膜的反应气体、流量、材质、真空度、浓度及不纯物的技术所局限，美国与日本在ＧａＮ外延晶体在Ｐ型ＧａＮ上未能突破，因为形成的Ｐ－ＧａＮ是一高电阻的材质，故所形成的ＩｎＧａ的发光活化层的电压Ｖｆ至少要ｉｏｖ，未能完全满足ＬＥＩ〕低电压的可靠性要求。在９０年代中期，日本Ｎｉｃｈｉａ公司的用氮气来保护之热处理ＧａＮ外延不良的问题，加上反应炉技术改进后，

反应炉的气输人设计减少气体浓度不均，外延不良的问题后来才被解。

到２０００年初，更是百家争鸣的时代，欧美日台有不少半导体公司在ＬＥＤ、技术、材料等的科研大量投

人，使欧美日台在超高亮度蓝、白光ＬＥＩ〕之争也变得更为激烈。 制造ＬＥＤ发光之条件 １北合物之半导体晶体的ＢａｎｄＧａｐ所成的迁移带宽的能阶隙的大小。所具之禁带宽度要能够用来获

得所希望之发光波长。 ２．发光材料能容易制成ＰＮ二极体，各层结晶的格子常数ａ之匹配。作成所谓ＤＨ层（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｈｅｔ－

ｅｒｏＬａｙｅｒ），但两侧结晶格子常数ａ必须一致。 ３．以带宽的材夹着活性层发光领域的两侧，活性层的带隙比覆面层的带隙小，活性层的折射率比覆面

层的折射率大，发光之光很容易由内部射出外。 ４能有稳定的物理及化学结构。结晶的离子性高，带宽的能阶Ｅｇ也较大，熔点温度也较高，所成的化合物之半导体晶体材料能在较高温环境下工作。如ＧａＰ，ＡＩＰ，ＧａＮ之化合物的半导体。

５．有直接迁移带或间接迁移带的晶体。发光领域多为直接迁移带之材料，且能发出较高的发光效率。

电子（电洞）的移动度也比间接迁移带之材料要高。 ６．价格低廉。

能满足上述ＬＥＬ〕条件之材料有ＩＩＩ一Ｖ族元素如稼和砷，ＧａＡｓ之化合物；稼和磷ＧａＰ之化合物；稼和砷

和磷之稼砷磷化合物ＧａＡｓＰ；及稼铝砷之化合物；稼和氮的ＧａＮ氮化稼化合物。

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ＩｎＧａＮ，砷化稼外延依制程的不同，可分为ＬＰＥ（液相外延），ＭＯＣＶＤ（有机金属气相外延）及ＭＢＥ（分子束外延）。ＬＰＥ的技术较低，主要用于发光二极管，无法应用在微波组件上。而ＭＢＥ的技术层次较高，容易

成长极薄的外延，且纯度高，平整性好，但量产能力低，外延成长速度慢。业者大都使用ＭＢＥ生产ＰＨＥＭＴ外延。ＭＯＣＶＤ除了纯度高，平整性好外，量产能力及外延成长速度亦比ＭＢＥ决，但技术层次高，进人障碍也高，现业者大都以ＭＯＣＶＩ〕来生产ＨＢＴ或ＬＥＤ之外延。

ｗｎｖ八翻：ｗＮ／ＩｎＧｕＮ　ｍａｔｃｒＮｌ＂

随着新的ＭＯＣＶＩ）及ＭＢＥ反应器不断改进，蓝光用的ＩｎＧａＮ外延不良的问题后来被解决。以前业界只重视光亮度的问题而改变到现在多考虑的是半导体的衰减的问题。大家都知道半导体的衰减与温度有

关，而半导体的衰减问题与散热不良有着直接的关系。现今常说ＬＥＩ〕寿命是１０万小时只是较多ＬＥＤ制造商在理论上用数学模式或在红色ＬＥＩ〕的基础上推算的计算法，但实际操作上，大都是在１万小时下便呈现

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衰减的现象，蓝色ＬＥＩ〕的普及应用从发明至今才不到１０年光景那有１０万小时的实际应用呢？而衰减现

象和ＰＮ结温热阻及散热效率有着直接的关系。

由于ｓｉｃ是一透明，抗静电，耐高温，高散热量又可以垂直构件结构的衬底材料，可用于高密度及高功率

的器件材料。近年来ｓｉｃ为基材底衬的ＬＥＩ）开始为欧美日台许多研究所所重视而用ｓｉｃ为底衬多为美

方的优势。过去美国由于ｓｉｃ的ＭＯＣＶＤ的外延技术不良而拖慢了发展，而现今ＭＯＭ〕外延技术已相当

发达，所以有后来居上的趋势。

ｓｉｃ碳化硅与蓝宝石Ａ１２０３底衬材料的比较

１．晶格匹配的问题 能生成ＧａＮ半导体合成物的底衬材料大都是Ｈｅｔｅｒｏ一ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ的异物外延材料而使ＧａＮ很难外延

生成ＧａＮ结晶。早期发现蓝宝石Ａ１２ｑ是一合适材衬可作ＧａＮ的结晶。而且蓝宝石Ａ１２０３有达１３％的

ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ天然杂质错位，现今虽也有厂家提供高纯度ＡＪ２ｑ材质，但可惜Ａ１２马的晶格比较难于和ＧａＮ的

晶格生成晶体配合，因在Ａ１２０３晶格上的只有一错面３０度的晶格界面能和ＧａＮ相配。后来Ａｋａｓａｋｉ先生以

ＡＩＮ为过渡层及Ｎａｋａｍｕｒａ先生的研究以几ＡＩ，　，Ｎ为过渡层来解决这样做虽然有助于晶体的生成，光亮

度也因ＭＯＣＶＩ）外延技术改善而不断增加．但当于材质所限，其生成后的晶体的电绝缘性和热导性相当差。

虽然十多年前己发现ｓｉｃ晶体，但１９９７年前，发觉应用ｓｉｃ是一ＡＩ２马的良好替代材质，而且ｓｉｃ的晶

格是垂直于ＧａＮ的晶格使容易生成晶体配合，杂质错位只有３．４９６。加上比较容易控制生成的晶体错面能

成为内腔反射镜，为同步光波共振也提供了适合的镜面，可用于雷射光源，而且没有Ａ１２０３为底衬晶格不配

的缺点。由于ＬＰ－　ＭＯＶＰＥ，　ＭＢＥ及Ｌｅｌｙ等技术在控制生长之Ｉｎｇｏｔ晶柱之晶体优良，生长晶体之气体纯度浓度，炉温及抽真空度，气压控制改进，使ＧａＮ外延晶于ｓｉｃ底衬能准确地控制。（表一）

・７５・《国际光电显示技术》ＬＥＩ〕专刊

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６Ｈ－ＳｉＣ　（０００１）Ａ１２０３　（０００１）

材质结晶结构 石结构ＺｉｎｃｂｌｍｄｅＺｉｎｃｂｌｍｄｅＲｏｃｋＳａｌｔＲｏｃｋ　ＳａｌｔＷｕｒｔｚｉｔｅ错晶率２０．１２５．３２０．７一６５一１．４２．０表一

膨胀系数ｘ１０Ｅ一６晶面断面Ｃｌｅａｖａｇｅ稳定度

一２７ 良一般一般一般差一般＼诫ＧａＰ卿耐ＺｎＯ

６Ｈ一ｓｉｃ（碳化硅）ＺｎＳ　６Ｈ一３．４一１．４

篮宝石Ａ１２０３ Ｃｏｎｔｎｄｉａｎ一１３．８ （１１１） （１１０） （１１０） （１００） （１００）（１一１００）（１１一２０） （０００１）（１一１００）（ｉｔ一２０） （０００１）（１一１０２）一般２．　ＬＥＤ晶体材质导热性的考虑

在Ａ１２０３和ｓｉｃ导热性的考虑，ｓｉｃ碳化硅（４．　９Ｗ／ｃｍＫ）于Ｓｉ，ＭｇＡ１２０３，Ａ１２０３晶体材质中是最高的，由于热导性高，以ｓｉｃ为底衬的ＧａＮ篮色ＬＥＤ比篮宝石Ａ１Ｚｑ高１０倍，对ＬＥＤ之ＰＮ结温，热阻减少，及散

热效率有明显的帮助。（表二）

表二材质｝４１ＡＡ＊ｋ，Ｗ／ｃｍ．ＫＳｉ一｝１．５ＭｇＡ１２０３｝Ｓｉｃ碳化硅一｝４．９Ａ１２０３篮宝石１｝０．４６

３．封装散热的考虑 ＬＥＤ晶粒的直接贴面焊接，封装与增加散热表面积，减少热阻，选择高导热材料是各业界的研究方向。良好的导热材质一般都是良导电体，但金属中的杂质会明显地降低其导热系数。非金属固体材料的导热变