LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。

LED外延片衬底材料选择特点：

1、结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小

2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强

3、化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀

4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小

5、导电性好，能制成上下结构

6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小

7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等

8、价格低廉。

9、大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。

10、容易得到规则形状衬底(除非有其他特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流，以至于影响外延质量。

11、在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。

衬底的选择要同时满足以上十一个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。表2-4对五种用于氮化镓生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。

LED外延片的衬底材料考虑的因素：

1、衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;

2、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏;

3、衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降;

4、材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。

目前LED外延片衬底材料

当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。

编辑本段红黄光LED

红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石Al2O3和硅衬底。

1、GaAs衬底：在使用LPE生长红光LED时，一般使用AlGaAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。

2、GaP衬底：在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，波长范围较宽565-700nm;使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm 之间;而使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构，这个结构很好的解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGaInP结构。另外，GaP基的III-N-V材料系统也引起广泛的兴趣，这种材料结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5 %氮的情况下，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应(650nm)。采用这样的结构制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和晶片键合透明衬底的复杂工艺。

编辑本段蓝绿光LED

用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。

1、氮化镓衬底：

用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延片膜的低位元错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他衬底(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位元错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位元错密度要明显低;但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。

2、蓝宝石Al2O3衬底：

目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

3、SiC衬底：

除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那麼好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。

4、Si衬底：

在硅衬底上制备发光二极体是本领域中梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。

5、ZnO衬底：

之所以ZnO作为GaN外延片的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料品质达不到器件水准和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体雷射器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。

6、ZnSe衬底：

有人使用MBE在ZnSe衬底上生长ZnCdSe/ZnSe等材料，用于蓝光和绿光LED器件，最先由住友公司推出，由于其不需要荧光粉就可以实现白光LED的目标，故可降低成品，同时电源回路构造简单，其操作电压也比GaN白光LED低。但是其并没有推广，这是因为由于使用MOCVD，p型参杂没有很好解决，试验中需要用到Sb来参杂，所以一般采用MBE生长，同时其发光效率较低，，而且由于自补偿效应的影响，使得其性能不稳定，器件寿命较短。

实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED，实现低成本，也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现，以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。

湿法清洗技术

1.改进的RCA清洗法

RCA清洗法已成为多种前后道清洗的基础工艺，目前大多数厂家使用了改进的RCA法。最初的RCA法依靠溶剂、酸、表面活性剂和水，在不破坏圆片表面特征的情况下喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解圆片表面的污染物、有机物和金属离子污染。而改进的RCA法通过添加表面活性剂和HF，并采用稀释RCA工艺来改善清洗效果。

2. 稀释化学法

在改进RCA清洗法的基础上，对于1号标准清洗液SC-1和2号标准清洗液SC-2的混合溶剂采用稀释化学法，不但可以大量节省化学试剂和去离子水，而且SC-2混合溶剂中的H2O2可以完全被清除掉。稀释APM SC-2混合溶剂（1:1:50）能够有效地从晶片表面去除颗粒和碳氢化合物，强烈稀释 HPM混合溶液（1:1:60）和稀释氯化氢（1:100）在清除金属时能像SC-2溶剂一样有效。采用稀释氯化氢（HCl）溶液的另一优点是，在低HCl浓度下颗粒不会沉淀，因为pH值在2～2.5范围内硅与硅氧化物是等电位的，pH值高于该点，圆片表面带有网状负电荷；低于该点，圆片表面带有网状正电荷。这样当pH值＞2～2.5时，溶液中的颗粒与硅表面均带有相同的电荷，颗粒与硅表面之间形成静电屏蔽，硅片在溶液中浸泡期间受到屏蔽并阻止颗粒从溶液中沉积到硅表面。但当pH值＜2时，硅片表面带正电荷，而颗粒带有负电荷，这样就不

3.单晶片清洗法

因大直径圆片清洗采用上述方法不易完成其清洗过程，故通常采用单晶片清洗法。清洗过程是在室温下重复利用DI-O 3与稀释的氢氟酸（DHF）清洗液，臭氧化的DI水（DI H2O-O3）产生氧化硅，稀释DHF蚀刻氧化硅，同时清除颗粒和金属污染物。根据蚀刻和氧化要求，采用较短的喷淋时间就可获得良好的清洗效果，且不发生交叉污染。最后的冲洗可以采用DI H2O，亦可采用DI H2O-O3。为了避免水渍，可采用浓缩大量氮气的异丙基乙醇（IPA）进行干燥处理。单晶片清洗具有比改进的 RCA清洗法更佳的效果，清洗过程中通常再循环利用DI H2O及DHF，以此来降低化学品的消耗量，同时提高圆片的成本效益

对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底：
蓝宝石衬底
通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片

使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω?cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m?K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。
硅衬底
目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact ,水平接触）和 V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。
碳化硅衬底
碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。

图2 采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片

碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/(m?K)）要比蓝宝石衬底高出10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。
三种衬底的性能比较
前面的内容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见表1。

表1

除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。
衬底材料的评价
1．衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；
2．衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；
3．衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；
4．材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。
当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。
氮化镓：
用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。
氧化锌：
ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。
蓝宝石：
用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
碳化硅：
SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于GaNLED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaNLED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。
同蓝宝石相比，SiC与GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构;但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。
实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED，实现低成本，也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现，以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。

硅密(常州)电子设备有限公司

近年来，高亮度LED(High-Brightness LED)市场需求和发展异常迅速，2010年，全球高亮度LED市场为108亿美元，比2009年的56亿美元增长了93%，美国LED研究专业机构Strategies Unlimited (SU)预测，到2015年，全球高亮度LED市场将达到189亿美元，复合年均增长率为11.8%。但是，良好的市场前景中，存在着一个问题，那就是，不断增加的生产成本可能会抑制市场的发展。美国能源部报告显示，LED照明如果想在2015年取代荧光照明市场，产品成本需从目前的$18/klm降8倍，即$2.2/klm。因此，提高制造过程中的效率是降低生产成本的关键因素。衬底尺寸的增加使得生产效率的大幅提高成为可能，当蓝宝石衬底直径从2”增大为4”时，可用面积是原来的4倍，直径从4”增大到6”时，可用面积则是原来的2倍。不过，随着面积的增大，传统的工艺制造设备如果无法以经济的办法来提高产能，则衬底尺寸增加而提高的生产效率将被高昂的设备成本所削弱。湿法刻蚀技术在半导体集成电路制造过程中以其产能大，运营成本低而得到充分应用，当前，LED芯片,尤其是高亮度(High Brightness)LED芯片制造过程中，湿法高温刻蚀工艺也同样受到越来越多芯片制造、衬底生产、设备制造厂商的重视。
湿法高温刻蚀设备的应用范围：
1.图形化衬底制备工艺(Patterned Sapphire Substrates)

图形化衬底制备工艺(Patterned Sapphire Substrates)
可以大幅的增加LED光萃取效率，通常可达15%~30%，目前，干法刻蚀PSS仍是市场主流，可以形成一致性非常好的圆顶形状(Dome-Shaped)的图形化衬底，从而制作出效率很高的高亮度LED。但是，干法刻蚀的不足之处也是显而易见的：
与干法相对比，湿法高温刻蚀工艺在成本上和产能上有着非常大的优势：
1.湿法高温刻蚀的速度非常快，5~10分钟即可完成衬底的刻蚀，产能是干法刻蚀的20~60倍的产能;
2.湿法高温刻蚀不会损伤蓝宝石表面；
3.湿法高温刻蚀设备价格相对于干法设备便宜的多，而且，随着衬底尺寸的增加，要处理相同数量的衬底，更大的工艺槽成本上增加的很有限，设备投资和运行成本优势很明显。 湿法高温刻蚀工艺的挑战：
1.由于是在250℃~300℃的高温磷酸与硫酸混合溶液工艺，人员的安全性和设备的可靠性非常
2.刻蚀的均匀性指标，包括温度的均匀性及溶液的浓度控制，将直接影响到PSS的质量；
湿法高温刻蚀工艺的挑战：
1.由于是在250℃~300℃的高温磷酸与硫酸混合溶液工艺，人员的安全性和设备的可靠性非常重要；
2.刻蚀的均匀性指标，包括温度的均匀性及溶液的浓度控制，将直接影响到PSS的质量；
3.量产时产能的保证，包括Up Time, 换酸时间，维修时间等；
4.高温酸雾的处理、废酸液的处理等；
5.湿法高温刻蚀目前还无法做到与干法刻蚀PSS一样的高亮度，图形化衬底的质量逊于干法刻蚀，刻蚀的图形是平顶(Truncated Cone Shapes)，从而影响光萃取效率。
随着越来越多的厂商投入湿法高温刻蚀工艺的研究，包括平顶研磨技术的应用，湿法刻蚀将成为实现LED市场产能扩大及成本降低的有效途径。

激光正切后的侧边腐蚀工艺(Sapphire Sidewall Etching)
在LED芯片制造后道过程中，需要对晶圆进行切割及裂片，切割的方法主要有三种：
1．金刚石划片，利用金刚石刀对蓝宝石晶圆进行切割；
2．激光切割(烧蚀加工)，利用激光光束的能量，在涂膜的的晶圆正面进行切割，完成后需要清洗工序；
3．激光切割(隐形切割)：将激光聚光于晶圆内部，在内部形成改质层，通过扩展胶膜等方法将晶圆分割成芯片；