Der Durchbruch von Siliziumkarbid-Substraten in der LED-Industrie

Siliziumkarbid hat die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit (dreimal höher als Silizium) und einer geringen Gitterfehlanpassung im Vergleich zu Galliumnitrid (4 %), was sich für die neue Generation von Leuchtdioden (LED) als Substratmaterial eignet. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass Siliziumkarbid in der weltweiten Halbleiterindustrie an vorderster Front steht und die Führung übernommen hat. Bei der Herstellung von LEDs ist das vorgelagerte Siliziumkarbid-Wafer (Substrat) der wichtigste Faktor, der Farbe, Helligkeit, Lebensdauer und andere Leistungsindikatoren der LEDs bestimmt.

Leistungsanforderungen an das Substratmaterial

Das Substratmaterial ist die Grundlage für das Wachstum des Galliumnitrid-Epitaxiefilms und der Hauptbestandteil der LED-Geräte. Die Oberflächenrauheit des Substratmaterials, der Wärmeausdehnungskoeffizient, der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, der Grad der Gitteranpassung zwischen dem epitaktischen Material und andere Indikatoren haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die Lichtausbeute und die Stabilität der hochhellen LED.

1. Gitterfehlanpassung und Wärmefehlanpassung

Die Fehlanpassungsrate des Saphirgitters betrug 13,9 %, die des Siliziumgitters 16,9 % und die des Siliziumkarbids nur 3,4 %. Was die thermische Fehlanpassungsrate betrifft, lag Saphir mit 30,3 % im Mittelfeld, während monokristallines Silizium die höchste thermische Fehlanpassungsrate (53,48837 %) aufwies.

Beim Aufwachsen von Galliumnitrid auf monokristallinem Siliziumsubstrat stellten die Forscher fest, dass die Galliumnitridschicht großen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, was zu einer großen Anzahl von Defekten oder sogar Rissen in der Epitaxieschicht führt, so dass es sehr schwierig ist, eine qualitativ hochwertige Galliumnitridschicht auf dem Siliziumsubstrat aufzuwachsen. Die Wärmefehlanpassungsrate von 6H-SiC beträgt jedoch nur 15,92129 %. Daher sind die Kristallstrukturen von 4H-SiC und 6H-SiC und Galliumnitrid in Bezug auf die Kristallstruktureigenschaften beide Wurtzit-Strukturen mit der niedrigsten Gitterfehlanpassungsrate und thermischen Fehlanpassungsrate, die für das Wachstum einer hochwertigen Galliumnitrid-Epitaxieschicht am besten geeignet ist.

2. Elektrische Leitfähigkeit

Saphir ist ein Isolator und kann in diesem Fall nicht für die Herstellung von vertikal strukturierten Bauelementen verwendet werden, so dass n- und p-Typ-Elektroden in der Regel nur auf der Oberfläche der Epitaxieschicht hergestellt werden. Siliziumkarbid und monokristallines Silizium haben eine gute Leitfähigkeit und können für die Herstellung vertikaler LED verwendet werden. Da das leitfähige Substrat als untere Elektrode verwendet wird, gibt es nur eine Elektrode auf der oberen Oberfläche der vertikalen LED-Vorrichtung, die den Bereich der leuchtenden Fläche erhöht. Außerdem hat die vertikale LED eine gleichmäßigere Stromverteilungsdichte, die eine lokale Überhitzung vermeidet, die durch die ungleichmäßige Stromdichteverteilung der horizontalen Struktur verursacht wird, und kann einen höheren positiven Strom tragen.

3. Thermische Leitfähigkeit

Saphir hat eine schlechte Wärmeableitungsleistung, nur 0,3 W-cm-1- k-1 bei 300K, und die Wärmeleitfähigkeit von monokristallinem Silizium bei 300K ist 1,3 W-cm-1- k-1, die beide weit unter der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbidkristall liegen. Verglichen mit der horizontalen LED aus Saphir kann die vertikale LED aus Siliziumkarbid Wärme von beiden Enden der Elektrode erzeugen, so dass sie als Substratmaterial für Hochleistungs-LEDs besser geeignet ist und eine längere Lebensdauer hat.

4. Optische Leistung

Saphir und Siliziumkarbid absorbieren kein sichtbares Licht, während das Siliziumsubstrat das Licht stark absorbiert und die LED-Ausgangseffizienz gering ist.

Siliziumkarbid-Substrate sind jedoch nicht sehr leistungsfähig, und das größte Problem liegt in der Wafer-Produktion. Saphir ist das derzeit am häufigsten verwendete LED-Substrat für den kommerziellen Einsatz. Saphir wird im Schmelzverfahren gezüchtet und das Verfahren ist ausgereifter. Es kann ein Einkristall mit geringeren Kosten, größerer Größe und hoher Qualität hergestellt werden, der für die industrielle Entwicklung geeignet ist. Auch die Züchtungstechnologie für monokristallines Silizium ist sehr ausgereift und ermöglicht die Herstellung eines kostengünstigen, großen (6-12 Zoll) und qualitativ hochwertigen Substrats, das die Kosten für LEDs erheblich senken kann.

Es ist jedoch schwierig, Siliziumkarbid-Einkristalle mit hoher Qualität und großen Abmessungen zu züchten. Die laminare Struktur von Siliziumkarbid ist leicht zu spalten und schlecht zu bearbeiten, so dass es leicht zu stufenförmigen Defekten auf der Substratoberfläche kommt und die Qualität der Epitaxialschicht beeinträchtigt wird. Siliziumkarbid-Substrate gleicher Größe sind Dutzende Male teurer als Saphir-Substrate, was ihre großtechnischen Anwendungen einschränkt.