La percée des substrats en carbure de silicium dans l'industrie des DEL

Le carbure de silicium présente les avantages d'une conductivité thermique élevée (trois fois supérieure à celle du silicium) et d'une faible disparité de réseau avec le nitrure de gallium (4 %), ce qui convient à la nouvelle génération de substrats pour diodes électroluminescentes (DEL). Il n'est pas exagéré de dire que le carbure de silicium est devenu l'avant-garde et le point de commandement de l'industrie mondiale des semi-conducteurs. Dans le processus de préparation des DEL, le matériau de substrat en carbure de sil icium en amont est le principal facteur qui détermine la couleur, la luminosité et la durée de vie des DEL, ainsi que d'autres indicateurs de performance.

Exigences de performance pour le matériau de substrat

Le matériau du substrat est la base de la croissance du film épitaxique de nitrure de gallium, ainsi que le composant principal des dispositifs LED. La rugosité de la surface du matériau de substrat, le coefficient de dilatation thermique, le coefficient de conductivité thermique, le degré d'adaptation du réseau entre les matériaux épitaxiés et d'autres indicateurs ont un impact profond sur l'efficacité lumineuse et la stabilité des LED à haute luminosité.

1. Désadaptation du réseau et désadaptation thermique

Le taux de désadaptation du réseau du saphir était de 13,9 %, celui du réseau du silicium de 16,9 % et celui du carbure de silicium de seulement 3,4 %. En termes de désadaptation thermique, le saphir se situait dans la moyenne avec 30,3 %, tandis que le silicium monocristallin présentait le taux de désadaptation thermique le plus élevé (53,48837 %).

Lors du processus de croissance du nitrure de gallium sur le substrat de silicium monocristallin, les chercheurs ont constaté que le film de nitrure de gallium serait soumis à une forte contrainte thermique, ce qui entraînerait un grand nombre de défauts ou même des fissures dans la couche épitaxiale, de sorte qu'il est très difficile de faire croître un film de nitrure de gallium de haute qualité sur le substrat de silicium. Cependant, le taux de désadaptation thermique du 6H-SiC n'est que de 15,92129 %. Par conséquent, en termes de caractéristiques de la structure cristalline, la structure cristalline du 4H-SiC et du 6H-SiC et le nitrure de gallium sont tous deux des structures wurtzites, avec le taux de désadaptation du réseau et le taux de désadaptation thermique les plus faibles, ce qui convient le mieux à la croissance d'une couche épitaxiale de nitrure de gallium de haute qualité.

2. Conductivité électrique

Le saphir est un isolant et ne peut pas être utilisé pour fabriquer des dispositifs à structure verticale dans ce cas, de sorte que les électrodes de type n et de type p sont généralement fabriquées uniquement à la surface de la couche épitaxiale. Le carbure de silicium et le silicium monocristallin ont une bonne conductivité et peuvent être utilisés pour fabriquer des DEL verticales. Comme le substrat conducteur est utilisé comme électrode inférieure, il n'y a qu'une seule électrode sur la surface supérieure du dispositif LED vertical, ce qui augmente la surface de la zone lumineuse. En outre, la LED verticale a une densité de distribution de courant plus uniforme, ce qui évite la surchauffe locale causée par la distribution inégale de la densité de courant de la structure horizontale et peut supporter un courant positif plus élevé.

3. Conductivité thermique

Le saphir a une faible capacité de dissipation de la chaleur, seulement 0,3 W-cm-1- k-1 à 300K, et la conductivité thermique du silicium monocristallin à 300K est de 1,3 W-cm-1- k-1, toutes deux bien inférieures à la conductivité thermique du cristal de carbure de silicium. Par rapport à la DEL horizontale en saphir, la DEL verticale en carbure de silicium peut générer de la chaleur à partir des deux extrémités de l'électrode, ce qui la rend plus adaptée au matériau de substrat des DEL de haute puissance et lui confère une durée de vie plus longue.

4. Performances optiques

Le saphir et le carbure de silicium n'absorbent pas la lumière visible, tandis que le substrat en silicium absorbe sérieusement la lumière et l'efficacité de sortie de la DEL est faible.

Cependant, les substrats en carbure de silicium ne sont pas tous puissants et le plus gros problème réside dans la production des plaquettes. Le saphir est le matériau de substrat de LED le plus largement utilisé à des fins commerciales à l'heure actuelle. Le saphir est cultivé par la méthode de fusion et le processus est plus mature. Il permet d'obtenir un cristal unique à moindre coût, de plus grande taille et de haute qualité, ce qui convient au développement industriel. De même, la technologie de culture du silicium monocristallin est très mature et permet d'obtenir facilement des substrats peu coûteux, de grande taille (6-12 pouces) et de haute qualité, ce qui peut réduire considérablement le coût des LED.

Cependant, il est difficile de produire du carbure de silicium monocristallin de haute qualité et de grande taille. La structure laminaire du carbure de silicium est facile à découper et les performances d'usinage sont médiocres, de sorte qu'il est facile d'introduire des défauts en escalier sur la surface du substrat et d'affecter la qualité de la couche épitaxiale. À taille égale, les substrats en carbure de silicium sont des dizaines de fois plus chers que les substrats en saphir, ce qui limite leurs applications à grande échelle.