通常,GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優(yōu)點：首先,藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好;其次,藍寶石的穩(wěn)定性很好,能夠運用在高溫生長過程中;最后,藍寶石的機械強度高,易于處理和清洗。因此,大多數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖1示例了使用藍寶石襯底做成的LED芯片。
使用藍寶石作為襯底也存在一些問題,例如晶格失配和熱應力失配,這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷,同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體,常溫下的電阻率大于1011Ω?;cm,在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件;通常只在外延層上表面制作n型和p型電極(如圖1所示)。在上表面制作兩個電極,造成了有效發(fā)光面積減少,同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程,結(jié)果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難,當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法,使電流擴散,以達到均勻發(fā)光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光,同時GaN基材料的化學性能穩(wěn)定、機械強度較高,不容易對其進行刻蝕,因此在刻蝕過程中需要較好的設備,這將會增加生產(chǎn)成本。
藍寶石的硬度非常高,在自然材料中其硬度僅次于金剛石,但是在led器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割(從400nm減到100nm左右)。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。
藍寶石的導熱性能不是很好。因此在使用LED器件時,會傳導出大量的熱量;特別是對面積較大的大功率 器件,導熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難,很多人試圖將GaN光電 器件直接生長在硅襯底上,從而改善導熱和導電性能。
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