La svolta del substrato di carburo di silicio nell'industria dei LED
Il carburo di silicio presenta i vantaggi di un'elevata conducibilità termica (tre volte superiore a quella del silicio) e di un ridotto disallineamento reticolare rispetto al nitruro di gallio (4%), che lo rendono adatto alla nuova generazione di substrati per diodi a emissione luminosa (LED). Non è esagerato dire che il carburo di silicio è diventato il punto di riferimento e di comando dell'industria globale dei semiconduttori. Nel processo di preparazione dei LED, il materiale del wafer (substrato) di carburo di silicio a monte è il fattore principale che determina il colore, la luminosità, la durata e altri indicatori di prestazione dei LED.
Requisiti di prestazione per il materiale del substrato
Il materiale del substrato è la base della crescita del film epitassiale di nitruro di gallio, nonché il componente principale dei dispositivi LED. La rugosità superficiale del materiale del substrato, il coefficiente di espansione termica, il coefficiente di conducibilità termica, il grado di corrispondenza reticolare tra il materiale epitassiale e altri indicatori hanno un profondo impatto sull'efficienza luminosa e sulla stabilità dei LED ad alta luminosità.
1. Disadattamento reticolare e disadattamento termico
Il tasso di disadattamento del reticolo dello zaffiro era del 13,9%, quello del reticolo del silicio del 16,9% e quello del carburo di silicio solo del 3,4%. In termini di tasso di disadattamento termico, lo zaffiro si trovava nel mezzo con il 30,3%, mentre il silicio monocristallino aveva il più alto tasso di disadattamento termico (53,48837%).
Nel processo di crescita del nitruro di gallio sul substrato di silicio monocristallino, i ricercatori hanno riscontrato che il film di nitruro di gallio sarebbe sottoposto a forti sollecitazioni termiche, con conseguente formazione di un gran numero di difetti o addirittura di crepe nello strato epitassiale, per cui è molto difficile far crescere un film di nitruro di gallio di alta qualità sul substrato di silicio. Tuttavia, il tasso di disallineamento termico del 6H-SiC è solo del 15,92129%. Pertanto, in termini di caratteristiche della struttura cristallina, la struttura cristallina di 4H-SiC e 6H-SiC e il nitruro di gallio sono entrambi strutture wurtzite, con il più basso tasso di disadattamento reticolare e termico, che è il più adatto per la crescita di uno strato epitassiale di nitruro di gallio di alta qualità.
2. Conducibilità elettrica
Lo zaffiro è un isolante e in questo caso non può essere utilizzato per fabbricare dispositivi a struttura verticale, quindi gli elettrodi di tipo n e di tipo p sono solitamente realizzati solo sulla superficie dello strato epitassiale. Il carburo di silicio e il silicio monocristallino hanno una buona conduttività e possono essere utilizzati per realizzare LED verticali. Poiché il substrato conduttivo viene utilizzato come elettrodo inferiore, sulla superficie superiore del dispositivo LED verticale è presente un solo elettrodo, che aumenta l'area luminosa. Inoltre, il LED verticale ha una densità di distribuzione della corrente più uniforme, che evita il surriscaldamento locale causato dalla distribuzione non uniforme della densità di corrente della struttura orizzontale e può trasportare una corrente positiva più elevata.
3. Conducibilità termica
Lo zaffiro ha scarse prestazioni di dissipazione del calore, solo 0,3 W-cm-1- k-1 a 300K, mentre la conducibilità termica del silicio monocristallino a 300K è di 1,3 W-cm-1- k-1, entrambe molto inferiori alla conducibilità termica del cristallo di carburo di silicio. Rispetto al LED orizzontale in zaffiro, il LED verticale in carburo di silicio è in grado di generare calore da entrambe le estremità dell'elettrodo, quindi è più adatto come materiale di substrato per LED ad alta potenza e ha una durata maggiore.
4. Prestazioni ottiche
Lo zaffiro e il carburo di silicio non assorbono la luce visibile, mentre il substrato di silicio assorbe seriamente la luce e l'efficienza di uscita del LED è bassa.
Tuttavia, i substrati di carburo di silicio non sono all'avanguardia e il problema principale risiede nella produzione dei wafer. Lo zaffiro è attualmente il materiale per substrati LED più utilizzato per uso commerciale. Lo zaffiro viene coltivato con il metodo della fusione e il processo è più maturo. È in grado di ottenere un cristallo singolo con un costo inferiore, dimensioni maggiori e alta qualità, adatto allo sviluppo industriale. Allo stesso modo, la tecnologia di crescita del silicio monocristallino è molto matura e consente di ottenere facilmente substrati a basso costo, di grandi dimensioni (6-12 pollici) e di alta qualità, che possono ridurre notevolmente il costo dei LED.
Tuttavia, è difficile coltivare il carburo di silicio monocristallino di alta qualità e di grandi dimensioni. La struttura laminare del carburo di silicio è facile alla scissione e alle scarse prestazioni di lavorazione, per cui è facile introdurre difetti a gradini sulla superficie del substrato e compromettere la qualità dello strato epitassiale. I substrati di carburo di silicio delle stesse dimensioni sono decine di volte più costosi di quelli di zaffiro, il che limita le loro applicazioni su larga scala.
