O avanço do substrato de carbeto de silício na indústria de LED
O carbeto de silício tem as vantagens da alta condutividade térmica (três vezes maior que a do silício) e da pequena incompatibilidade de rede com o nitreto de gálio (4%), o que é adequado para a nova geração de material de substrato de diodo emissor de luz (LED). Não é exagero dizer que o carbeto de silício se tornou a vanguarda e o ponto de comando do setor global de semicondutores. No processo de preparação do LED, o material de wafer (substrato) de carbeto de silício é o principal fator que determina a cor, o brilho, a vida útil e outros indicadores de desempenho do LED.
Requisitos de desempenho para o material de substrato
O material do substrato é a base do crescimento do filme epitaxial de nitreto de gálio, bem como o principal componente dos dispositivos de LED. A rugosidade da superfície do material do substrato, o coeficiente de expansão térmica, o coeficiente de condutividade térmica, o grau de correspondência da rede entre o material epitaxial e outros indicadores têm um impacto profundo na eficiência luminosa e na estabilidade do LED de alto brilho.
1. Incompatibilidade de rede e incompatibilidade de calor
A taxa de incompatibilidade da rede de safira foi de 13,9%, a da rede de silício foi de 16,9% e a do carbeto de silício foi de apenas 3,4%. Em termos de taxa de incompatibilidade térmica, a safira ficou no meio, com 30,3%, enquanto o silício monocristalino teve a maior taxa de incompatibilidade térmica (53,48837%).
No processo de crescimento do nitreto de gálio no substrato de silício monocristalino, os pesquisadores descobriram que o filme de nitreto de gálio seria submetido a um grande estresse térmico, resultando em um grande número de defeitos ou até mesmo rachaduras na camada epitaxial, por isso é muito difícil desenvolver um filme de nitreto de gálio de alta qualidade no substrato de silício. Entretanto, a taxa de incompatibilidade térmica do 6H-SiC é de apenas 15,92129%. Portanto, em termos de características da estrutura cristalina, a estrutura cristalina do 4H-SiC e do 6H-SiC e do nitreto de gálio são estruturas de wurtzita, com a menor taxa de incompatibilidade de rede e taxa de incompatibilidade térmica, o que é mais adequado para o crescimento da camada epitaxial de nitreto de gálio de alta qualidade.
2. Condutividade elétrica
A safira é um isolante e não pode ser usada para fabricar dispositivos estruturados verticalmente nesse caso, portanto, os eletrodos do tipo n e do tipo p geralmente são feitos apenas na superfície da camada epitaxial. O carbeto de silício e o silício monocristalino têm boa condutividade e podem ser usados para fabricar LEDs verticais. Como o substrato condutor é usado como eletrodo inferior, há apenas um eletrodo na superfície superior do dispositivo de LED vertical, o que aumenta a área da área luminosa. Além disso, o LED vertical tem uma densidade de distribuição de corrente mais uniforme, o que evita o superaquecimento local causado pela distribuição desigual da densidade de corrente da estrutura horizontal e pode transportar uma corrente positiva maior.
3. Condutividade térmica
A safira tem um desempenho ruim de dissipação de calor, com apenas 0,3 W-cm-1- k-1 a 300K, e a condutividade térmica do silício monocristalino a 300K é de 1,3 W-cm-1- k-1, ambas muito inferiores à condutividade térmica do cristal de carbeto de silício. Em comparação com o LED horizontal de safira, o LED vertical feito de carbeto de silício pode gerar calor de ambas as extremidades do eletrodo, portanto, é mais adequado para o material de substrato do LED de alta potência e tem uma vida útil mais longa.
4. Desempenho óptico
A safira e o carbeto de silício não absorvem a luz visível, enquanto o substrato de silício absorve muito a luz e a eficiência de saída do LED é baixa.
Entretanto, os substratos de carbeto de silício não são totalmente potentes, e o maior problema está na produção do wafer. Atualmente, a safira é o material de substrato de LED mais amplamente utilizado para uso comercial. A safira é produzida pelo método de fusão e o processo é mais maduro. Ela pode obter um único cristal com custo mais baixo, tamanho maior e alta qualidade, o que é adequado para o desenvolvimento industrial. Da mesma forma, a tecnologia de crescimento do silício monocristalino é altamente madura e fácil de obter substrato de baixo custo, tamanho grande (6 a 12 polegadas) e alta qualidade, o que pode reduzir muito o custo do LED.
Entretanto, é difícil cultivar um único cristal de carbeto de silício com alta qualidade e tamanho grande. A estrutura laminar do carbeto de silício é fácil de ser clivada e tem baixo desempenho de usinagem, por isso é fácil introduzir defeitos escalonados na superfície do substrato e afetar a qualidade da camada epitaxial. Os substratos de carbeto de silício do mesmo tamanho são dezenas de vezes mais caros do que os substratos de safira, o que limita suas aplicações em larga escala.
