LED 산업에서 실리콘 카바이드 기판의 획기적인 발전

실리콘 카바이드는 높은 열전도율(실리콘보다 3배 높음)과 질화갈륨 (4%)과의 격자 불일치가 작다는 장점이 있어 차세대 발광 다이오드(LED) 기판 재료로 적합합니다. 실리콘 카바이드는 글로벌 반도체 산업의 최전선이자 지휘부가 되었다고 해도 과언이 아닙니다. LED 제조 공정에서 업스트림의 실리콘 카바이드 웨이퍼(기판) 소재는 LED 색상, 밝기, 수명 및 기타 성능 지표를 결정하는 주요 요소입니다.

기판 재료의 성능 요구 사항

기판 재료는 질화 갈륨 에피택셜 필름 성장의 기초이자 LED 장치의 주요 구성 요소입니다. 기판 재료의 표면 거칠기, 열팽창 계수, 열전도율, 에피택셜 재료와 기타 지표 간의 격자 일치 정도는 고휘도 LED의 발광 효율과 안정성에 큰 영향을 미칩니다.

1. 격자 불일치 및 열 불일치

사파이어 격자의 불일치율은 13.9%, 실리콘 격자의 불일치율은 16.9%, 탄화규소의 불일치율은 3.4%에 불과했습니다. 열 불일치율 측면에서 사파이어는 30.3%로 중간에 있었고 단결정 실리콘은 53.48837%로 열 불일치율이 가장 높았습니다.

연구진은 단결정 실리콘 기판에서 질화 갈륨을 성장시키는 과정에서 질화 갈륨 필름이 큰 열 스트레스를 받아 많은 결함이 발생하거나 에피택셜 층에 균열이 생겨 실리콘 기판에서 고품질 질화 갈륨 필름을 성장시키는 것이 매우 어렵다는 사실을 발견했습니다. 그러나 6H-SiC의 열 불일치율은 15.92129%에 불과합니다. 따라서 결정 구조 특성 측면에서 4H-SiC 및 6H-SiC와 질화 갈륨의 결정 구조는 모두 격자 불일치율과 열 불일치율이 가장 낮은 우르츠 자이트 구조로 고품질 질화 갈륨 에피 택셜 층의 성장에 가장 적합합니다.

2. 전기 전도성

사파이어는 절연체이며 이 경우 수직 구조의 소자를 제작하는 데 사용할 수 없으므로 일반적으로 n형 및 p형 전극은 에피택셜 층의 표면에만 만들어집니다. 실리콘 카바이드와 단결정 실리콘은 전도성이 우수하여 수직형 LED를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 전도성 기판이 하부 전극으로 사용되기 때문에 수직 LED 장치의 상부 표면에는 전극이 하나만있어 발광 영역의 면적이 증가합니다. 또한 수직 LED는 전류 분포 밀도가 더 균일하여 수평 구조의 고르지 않은 전류 밀도 분포로 인한 국부적 과열을 방지하고 더 높은 양의 전류를 전달할 수 있습니다.

3. 열 전도성

사파이어는 열 방출 성능이 좋지 않아 300K에서 0.3W-cm-1- k-1에 불과하고 300K에서 단결정 실리콘의 열전도도는 1.3W-cm-1- k-1이며 둘 다 탄화 규소 결정의 열전도도보다 훨씬 낮습니다. 사파이어 수평 LED에 비해 실리콘 카바이드로 만든 수직 LED는 전극의 양쪽 끝에서 열을 발생시킬 수 있으므로 고출력 LED의 기판 재료에 더 적합하고 수명이 더 깁니다.

4. 광학 성능

사파이어와 실리콘 카바이드는 가시광선을 흡수하지 않는 반면 실리콘 기판은 빛을 심각하게 흡수하고 LED 출력 효율이 낮습니다.

그러나 실리콘 카바이드 기판은 만능이 아니며 가장 큰 문제는 웨이퍼 생산에 있습니다. 사파이어는 현재 상업용으로 가장 널리 사용되는 LED 기판 소재입니다. 사파이어는 용융법으로 성장하며 공정이 더 성숙합니다. 더 낮은 비용, 더 큰 크기 및 고품질의 단결정을 얻을 수 있어 산업 발전에 적합합니다. 마찬가지로 단결정 실리콘의 성장 기술은 매우 성숙하고 저비용, 대형 (6-12 인치), 고품질 기판을 쉽게 얻을 수있어 LED 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

그러나 실리콘 카바이드 단결정을 고품질 및 대형으로 성장시키는 것은 어렵습니다. 실리콘 카바이드의 층류 구조는 절단이 쉽고 가공 성능이 좋지 않아 기판 표면에 계단식 결함을 도입하기 쉽고 에피택셜 층의 품질에 영향을 미치기 쉽습니다. 같은 크기의 실리콘 카바이드 기판은 사파이어 기판보다 수십 배 더 비싸기 때문에 대규모 적용이 제한됩니다.