不同的LED燈珠的晶片襯底材料，需要不同的外延生長(zhǎng)技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個(gè)方面：

　　[1] 結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小;

　　[2] 界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強(qiáng);

　　[3] 化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕;

　　[4] 熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小;

　　[5] 導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu);

　　[6] 光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小;

　　[7] 機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等;

　　[8] 價(jià)格低廉;

　　[9] 大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

　　襯底的選擇要同時(shí)滿足以上九個(gè)方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長(zhǎng)技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對(duì)五種用于氮化鎵生長(zhǎng)的襯底材料性能的優(yōu)劣進(jìn)行了定性比較。

            用于氮化鎵生長(zhǎng)的襯底材料性能優(yōu)劣比較

　1)氮化鎵襯底

　　用于氮化鎵生長(zhǎng)的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度?？墒牵苽涞夡w單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度要明顯低;但價(jià)格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。

　　氮化鎵襯底生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備：

　　缺乏氮化鎵襯底是阻礙氮化物研究的主要困難之一，也是造成氮化鎵發(fā)光器件進(jìn)展目前再次停頓的根本原因!雖然有人從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料，但尺寸很小，無法使用，目前主要是在藍(lán)寶石、硅、碳化硅襯底上生長(zhǎng)。雖然在藍(lán)寶石襯底上可以生產(chǎn)出中低檔氮化鎵發(fā)光二極管產(chǎn)品，但高檔產(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價(jià)格奇貴，一片2英寸襯底價(jià)格約1萬美元，這些襯底全部由HVPE(氫化物氣相外延)生產(chǎn)。

　　HVPE是二十世紀(jì)六七十年代的技術(shù)，由于它生長(zhǎng)速率很快(一分鐘一微米以上)，不能生長(zhǎng)量子阱、超晶格等結(jié)構(gòu)材料，在八十年代被MOCVD、MBE等技術(shù)淘汰。然而，恰是由于它生長(zhǎng)速率快，可以生長(zhǎng)氮化鎵襯底，這種技術(shù)又在“死灰復(fù)燃”并受到重視。可以斷定，氮化鎵襯底肯定會(huì)繼續(xù)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)化，HVPE技術(shù)必然會(huì)重新受到重視。與高壓提拉法相比，HVPE方法更有望生產(chǎn)出可實(shí)用化的氮化鎵襯底。不過國(guó)際上目前還沒有商品化的設(shè)備出售。

　　目前國(guó)內(nèi)外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺(tái)設(shè)備分開進(jìn)行的。即先用MOCVD生長(zhǎng)0.1～1微米的結(jié)晶層，再用HVPE生長(zhǎng)約300微米的氮化鎵襯底層，最后將原襯底剝離、拋光等。由于生長(zhǎng)一個(gè)襯底需要在兩個(gè)生長(zhǎng)室中分兩次生長(zhǎng)，需要降溫、生長(zhǎng)停頓、取出等過程，這樣不可避免地會(huì)出現(xiàn)以下問題：①樣品表面粘污;②生長(zhǎng)停頓、降溫造成表面再構(gòu)，影響下次生長(zhǎng)。

　　今后研發(fā)的重點(diǎn)仍是尋找合適的生長(zhǎng)方法，大幅度降低其成本。

　　2) Al2O3襯底

　　目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟;不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過激光劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

　　國(guó)內(nèi)外Al2O3襯底今后的研發(fā)任務(wù)是生長(zhǎng)大直徑的Al2O3單晶，向4-6英吋方向發(fā)展，以及降低雜質(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)量。

　　3)SiC襯底

　　除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第二，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al2O3和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題，故在發(fā)展中的半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。

　　目前國(guó)際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國(guó)CREE公司。國(guó)內(nèi)外SiC襯底今后研發(fā)的任務(wù)是大幅度降低制造成本和提高晶體結(jié)晶質(zhì)量。

　　4)Si襯底

　　在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域里夢(mèng)寐以求的一件事情，因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破，外延生長(zhǎng)成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長(zhǎng)過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級(jí)質(zhì)量的GaN材料。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。

　　目前國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的硅襯底上藍(lán)光LED光功率最好水平是420mW，是德國(guó)Magdeburg大學(xué)研制的。日本Nagoya技術(shù)研究所今年在上海國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇上報(bào)道的硅襯底上藍(lán)光LED光輸出功率為18 mW

5)ZnO襯底

　　之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小，接觸勢(shì)壘小)。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)的重點(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法。

　　但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。這是因?yàn)椋琙nO的激子束縛能高達(dá)60 meV，比其他半導(dǎo)體材料高得多(GaN為26 meV)，因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率。

　　另外ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，可以采用沒有任何毒性的水為氧源，用有機(jī)金屬鋅為鋅源。因而，今后ZnO材料的生產(chǎn)是真正意義上的綠色生產(chǎn)，原材料鋅和水資源豐富、價(jià)格便宜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展。