El avance del sustrato de carburo de silicio en la industria LED
El carburo de silicio tiene las ventajas de una alta conductividad térmica (tres veces superior a la del silicio) y un pequeño desajuste reticular con el nitruro de galio (4%), lo que resulta idóneo para la nueva generación de material de sustrato de diodos emisores de luz (LED). No es exagerado decir que el carburo de silicio se ha convertido en la vanguardia y el punto de mando de la industria mundial de semiconductores. En el proceso de preparación de los LED, el material de oblea (sus trato) de carburo de silicio previo es el principal factor que determina el color, el brillo, la vida útil y otros indicadores de rendimiento de los LED.
Requisitos de rendimiento del material de sustrato
El material de sustrato es la base del crecimiento de la película epitaxial de nitruro de galio, así como el componente principal de los dispositivos LED. La rugosidad de la superficie del material del sustrato, el coeficiente de expansión térmica, el coeficiente de conductividad térmica, el grado de coincidencia reticular entre el material epitaxial y otros indicadores tienen un profundo impacto en la eficiencia luminosa y la estabilidad del LED de alto brillo.
1. Desajuste reticular y desajuste térmico
El índice de desajuste de la red de zafiro era del 13,9%, el de la red de silicio del 16,9% y el del carburo de silicio sólo del 3,4%. En cuanto al índice de desajuste térmico, el zafiro se situaba en la media con un 30,3%, mientras que el silicio monocristalino tenía el índice de desajuste térmico más elevado (53,48837%).
En el proceso de crecimiento del nitruro de galio sobre el sustrato de silicio monocristalino, los investigadores descubrieron que la película de nitruro de galio estaría sometida a un gran estrés térmico, lo que provocaría un gran número de defectos o incluso grietas en la capa epitaxial, por lo que es muy difícil hacer crecer una película de nitruro de galio de alta calidad sobre el sustrato de silicio. Sin embargo, la tasa de desajuste térmico del 6H-SiC es sólo del 15,92129%. Por lo tanto, en términos de características de la estructura cristalina, la estructura cristalina de 4H-SiC y 6H-SiC y nitruro de galio son ambas estructuras wurtzita, con la tasa de desajuste de red y la tasa de desajuste térmico más bajas, que es la más adecuada para el crecimiento de la capa epitaxial de nitruro de galio de alta calidad.
2. Conductividad eléctrica
El zafiro es un aislante y, en este caso, no puede utilizarse para fabricar dispositivos estructurados verticalmente, por lo que los electrodos de tipo n y tipo p suelen fabricarse únicamente en la superficie de la capa epitaxial. El carburo de silicio y el silicio monocristalino tienen buena conductividad y pueden utilizarse para fabricar LED verticales. Como el sustrato conductor se utiliza como electrodo inferior, sólo hay un electrodo en la superficie superior del dispositivo LED vertical, lo que aumenta la superficie del área luminosa. Además, el LED vertical tiene una densidad de distribución de corriente más uniforme, lo que evita el sobrecalentamiento local causado por la distribución desigual de la densidad de corriente de la estructura horizontal y puede transportar una corriente positiva más elevada.
3. Conductividad térmica
El zafiro tiene un pobre rendimiento de disipación de calor, sólo 0,3 W-cm-1- k-1 a 300K, y la conductividad térmica del silicio monocristalino a 300K es de 1,3 W-cm-1- k-1, ambas muy inferiores a la conductividad térmica del cristal de carburo de silicio. En comparación con el LED horizontal de zafiro, el LED vertical de carburo de silicio puede generar calor desde ambos extremos del electrodo, por lo que es más adecuado para el material de sustrato del LED de alta potencia y tiene una vida útil más larga.
4. Rendimiento óptico
El zafiro y el carburo de silicio no absorben la luz visible, mientras que el sustrato de silicio absorbe seriamente la luz y la eficiencia de salida del LED es baja.
Sin embargo, los sustratos de carburo de silicio no son todopoderosos, y el mayor problema radica en la producción de obleas. En la actualidad, el zafiro es el material de sustrato de LED más utilizado con fines comerciales. El zafiro se cultiva por el método de fusión y el proceso es más maduro. Puede obtener un monocristal de menor coste, mayor tamaño y alta calidad, lo que resulta idóneo para el desarrollo industrial. Del mismo modo, la tecnología de cultivo del silicio monocristalino es muy madura y permite obtener fácilmente sustratos de bajo coste, gran tamaño (6-12 pulgadas) y alta calidad, lo que puede reducir en gran medida el coste de los LED.
Sin embargo, es difícil cultivar carburo de silicio monocristalino de alta calidad y gran tamaño. La estructura laminar del carburo de silicio es fácil de escindir y su rendimiento de mecanizado es deficiente, por lo que es fácil introducir defectos escalonados en la superficie del sustrato y afectar a la calidad de la capa epitaxial. Los sustratos de carburo de silicio del mismo tamaño son decenas de veces más caros que los de zafiro, lo que limita sus aplicaciones a gran escala.
