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碳化硅陶瓷基板具有導(dǎo)熱系數(shù)高（比硅高三倍）和與氮化鎵晶格失配小（4%）等優(yōu)點，適用于新一代發(fā)光二極管（LED）基板材料。毫不夸張地說，碳化硅已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前沿和制高點。在LED制備過程中，上游碳化硅晶圓基板材料是決定了LED顏色、亮度、壽命等性能指標(biāo)的主要因素。

陶瓷基板材料的性能要求

襯底材料是氮化鎵外延薄膜生長的基礎(chǔ)，也是LED器件的主要組成部分。陶瓷基板材料的表面粗糙度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、外延材料之間的晶格匹配度等指標(biāo)對高亮度LED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)的影響。

1、晶格失配和熱失配

藍(lán)寶石晶格失配率為13.9%，硅晶格失配率為16.9%，碳化硅僅為3.4%。在熱失配率方面，藍(lán)寶石居中為30.3%，而單晶硅的熱失配率最高（53.48837%）。

在單晶硅襯底上生長氮化鎵的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)氮化鎵薄膜會受到很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)大量缺陷甚至裂紋。因此難度很大，在硅襯底上生長高質(zhì)量的氮化鎵薄膜。然而，6H-SiC的熱失配率僅為15.92129%。因此，就晶體結(jié)構(gòu)特性而言，4H-SiC和6H-SiC以及氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)均勻釬鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格失配率和熱失配率最低，最適合高質(zhì)量的生長，氮化鎵外延層。

2、導(dǎo)電性

藍(lán)寶石是一種絕緣體，在這種情況下不能用于制造垂直結(jié)構(gòu)的器件，因此通常只在外延層表面制作n型和P型電極。碳化硅和單晶硅具有良好的導(dǎo)電性，可用于制作垂直LED。由于采用導(dǎo)電基板作為下電極，垂直LED器件的上表面只有一個電極，增加了發(fā)光區(qū)域的面積。此外，垂直LED具有更均勻的電流分布密度，避免了水平結(jié)構(gòu)電流密度分布不均勻造成的局部過熱，可以承載更高的正電流。

3、導(dǎo)熱系數(shù)

藍(lán)寶石散熱性能差，300k時僅為0.3W.cm-1.k-1，單晶硅在300k時的導(dǎo)熱系數(shù)為1.3W.cm-1.k-1，均遠(yuǎn)低于碳化硅晶圓的導(dǎo)熱系數(shù)。與藍(lán)寶石水平LED相比，由碳化硅制成的垂直LED可以從電極的兩端產(chǎn)生熱量，因此更適合大功率LED的基板材料，使用壽命更長。

4、光學(xué)性能

藍(lán)寶石和碳化硅陶瓷基板不吸收可見光，而硅襯底吸收光嚴(yán)重，LED輸出效率低。然而，碳化硅陶瓷基板襯底也不是萬能的，最大的問題在于晶圓生產(chǎn)。藍(lán)寶石是目前商業(yè)用途最廣泛的LED基板材料，藍(lán)寶石采用熔融法生長，工藝較為成熟。可以獲得成本更低、尺寸更大、質(zhì)量更高的單晶，適合于工業(yè)化發(fā)展。同樣，單晶硅的生長技術(shù)也高度成熟，容易獲得低成本、大尺寸（6-12英寸）的優(yōu)質(zhì)基板，可以大大降低LED的成本。

然而，很難生長出高質(zhì)量和大尺寸的碳化硅陶瓷基板單晶，碳化硅的層狀結(jié)構(gòu)易理解，加工性能差，容易在襯底表面引入階梯缺陷，影響外延層質(zhì)量。相同尺寸的碳化硅襯底比藍(lán)寶石襯底貴十幾倍，這限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。