碳化硅(SiC)襯底

　　SiC具有優良的熱學、力學、化學和電學性質，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，而且可以用作基于GaN的藍色發光二極管的襯底材料，打破了藍寶石一統天下的局面，尤其在路燈和室外照明領域具有巨大的市場潛力。在半導體領域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 兩種。

　　碳化硅與藍寶石相比，在結構上，藍寶石不是半導體而是絕緣體，它只能做單面電極;碳化硅是導電的半導體，它可以做垂直結構。碳化硅襯底的導熱性能要比藍寶石高10倍以上;藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制造器件時底部需要使用銀膠固晶，銀膠的傳熱性能也很差。而使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出;同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。

　　在碳化硅襯底領域，美國Cree幾乎壟斷了優質碳化硅襯底的全球供應，其次是德國SiCrystal、日本新日鐵、昭和電工、東纖-道康寧。我國企業實力較弱，國內能生產和加工碳化硅襯底的企業或機構有北京天科合達、山東天岳、山東大學、中科院物理所、中科院上海硅酸鹽所、中國電子科技集團46所等。2015年7月，山東天岳自主研制的一款4英寸高純半絕緣碳化硅襯底產品面世。

　　用碳化硅做光電器件襯底主要挑戰是成本仍相對較高、技術門檻較高和專利技術不足，面臨著行業壟斷者的專利威脅。不過LED市場有高中低端之分，碳化硅襯底LED定位在高端。大功率LED市場需求巨大，碳化硅材料性能優越，具有功率大、能耗低、發光效率高等顯著優勢，可以很好滿足大功率LED需求。

　　硅(Si)襯底

　　硅片作為GaN 材料的襯底有許多優點，如晶體品質高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。

　　由于單晶硅材料生長技術成熟度高，容易獲得低成本、大尺寸(6-12 英寸)、高質量的襯底，可以大大降低LED 的造價。并且，由于硅單晶已經大規模應用于微電子領域，使用單晶硅襯底有望實現LED 芯片與集成電路的直接集成，有利于LED 器件的小型化發展。因此使用單晶硅作為LED 襯底一直是本行業夢寐以求的事情。此外，與藍寶石相比，單晶硅在性能上還有一些優勢：熱導率高、導電性好，可制備垂直結構，更適合大功率LED 制備。

　　然而與藍寶石和SiC 相比，在Si 襯底上生長GaN 更為困難，主要體現在：(1)兩者之間的熱失配和晶格失配更大;(2)Si 與GaN 的熱膨脹系數差別也將導致GaN 膜出現龜裂;(3)晶格常數差會在GaN 外延層中造成高的位錯密度;(4)Si 襯底LED 還可能因為Si 與GaN 之間有0.5 V 的異質勢壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成p 型摻雜效率低，導致串聯電阻增大;(5)Si 吸收可見光會降低LED 的外量子效率。

　　從1999年第一個GaN/Si LED出現，到2002 年商品化GaN/Si LED 就已經問世，但是由于性能與藍寶石及碳化硅制備的LED相差很大而沒有被廣泛應用。2010 年德國Azzurro 公司授權GaN-on-Si 技術予德國OSRAM公司。2013 年4 月日本東芝公司收購美國普瑞光電(Bridgelux) 的技術，并開始8 英寸GaN-on-Si 外延片生產。國內江西晶能光電公司早在2012 年就宣布批量生產HB-LED 芯片;江西晶瑞光電也已推出了類似性能的LED 產品。

　　晶能光電的硅襯底技術，具有完全自主的知識產權，形成了藍寶石、碳化硅、硅襯底半導體照明技術路線三足鼎立的局面。中國LED產業只有打破國際巨頭的技術、專利壟斷，掌握核心技術，才能真正實現由“跟隨”到“跨越”的轉變。