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半导体照明新血液碳化硅衬底

2019-08-15 18:44:36来源:励志吧0次阅读

  市面上一般有三种材料可作为衬底:蓝宝石(Al2O )、硅(Si)、碳化硅(Sic)。其中蓝宝石是使用最多的衬底材料,具有生产技术成熟、器件质量较好、稳定性好、机械强度高、易于处理和清洗等优点。但是它也有许多不能克服的缺点:第一,晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;第二,蓝宝石是绝缘体,电阻率很大,无法制成垂直结构的器件;第三,通常只在外延层上表面制作N型和P型电极,造成了有效发光面积减少,材料利用率降低;第四,蓝宝石的硬度非常高,仅次于金刚石,难以对它进行薄化和切割;第五,蓝宝石导热性能不是很好,因此在使用器件时,会传导出大量的热量,对面积较大的大功率器件,导热性能是一个非常重要的考虑因素。

  为了解决上述难题,改善器件的导热和导电性能,越来越多的企业开始在光电器件中采用碳化硅或者硅衬底,国内公司在这类衬底材料的研发和加工上亦取得不小进展。

  性能优越的碳化硅衬底

  目前国内能生产和加工碳化硅衬底的公司有北京天科合达蓝光半导体有限公司、山东天岳先进材料科技有限公司等,能提供硅衬底的有江西有限公司。

  据天岳总工程师高玉强介绍,碳化硅是一种宽带隙半导体材料,也是目前发展最为成熟的第三代半导体材料。它具有优良的热学、力学、化学和电学性质,不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一,同时又可以用作基于氮化镓的蓝光发光二极管的衬底材料,可广泛应用在电力电子领域、微波器件领域和LED光电子领域。宽带隙半导体材料碳化硅所制作的功率器件可以承受更高电源、更大电路、耗尽层可以做得更薄,因而工作速度更快、器件体积更小、重量更轻。其实在微波器件领域,碳化硅早在2006年就完全替代了蓝宝石作为氮化镓外延衬底。

  从材料性能上来讲碳化硅是非常优越的,它的禁带宽度是硅的 倍,饱和电子漂移速率高于硅2倍,临界击穿电场高于硅10倍,高于砷化镓5倍;热导率大于蓝宝石20倍,是砷化镓的10倍;还有它的化学稳定性很好。 高玉强指出。另外,从结构上比较,蓝宝石不是半导体而是绝缘体,它只能做单面电极;碳化硅是导电的半导体,它可以做垂直结构。碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体,并且在制造器件时底部需要使用银胶固晶,这种银胶的传热性能也很差。而使用碳化硅衬底的芯片电极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,这样又提高了出光效率。据了解,目前碳化硅衬底LED最高流明效率可达254lm/W。

  高玉强表示,碳化硅与氮化镓外延层的结构和晶格常数匹配,化学特性相容,具有高热导率及与外延层热膨胀系数相近等特点,是氮化镓基发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的热门衬底材料之一,将在半导体照明产业扮演重要角色。

  美国Cree公司是全球知名的半导体照明解决方案提供商,其市场优势主要就是来源于碳化硅材料以及用此来外延芯片和制备相关器件。此类技术在几年前还是由该公司垄断,现今包括天岳在内的国内企业已经突破了专利壁垒,掌握了具有自主知识产权的碳化硅生产和加工技术。

  世界上能够生产碳化硅单晶的企业极少,最大的碳化硅单晶是Cree公司生产的6英寸单晶,也只有他们一家能做到6英寸,其他最高做到4英寸,目前天岳也是做到4英寸。碳化硅单晶的加工技术很难,但是我们的碳化硅单晶衬底的TTV、BOW、WARP均可达到国际先进水平。现在天岳可年产2万片碳化硅单晶衬底,可批量提供 开盒即用 衬底。 高玉强介绍道。

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