LED外延片生長的基本原理是：在一塊加熱至適當溫度的襯底基片(主要有藍寶石和、SiC、Si)上，氣態物質InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術主要采用有機金屬化學氣相沉積方法。

LED外延片襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。

LED外延片襯底材料選擇特點：

1、結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小

2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強

3、化學穩定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕

4、熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小

5、導電性好，能制成上下結構

 

6、光學性能好，制作的器件所發出的光被襯底吸收小

7、機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等

8、價格低廉。

9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

10、容易得到規則形狀襯底(除非有其他特殊要求)，與外延設備托盤孔相似的襯底形狀才不容易形成不規則渦流，以至于影響外延質量。

11、在不影響外延質量的前提下，襯底的可加工性盡量滿足后續芯片和封裝加工工藝要求。

襯底的選擇要同時滿足以上十一個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產的襯底目前只有二種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優劣進行了定性比較。

LED外延片的襯底材料考慮的因素：

1、襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低;

2、襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配：熱膨脹系數的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數上相差過大不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由于發熱而造成器件的損壞;

3、襯底與外延膜的化學穩定性匹配：襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降;

4、材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產業化發展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。

目前LED外延片襯底材料

當前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發階段，離產業化還有一段距離。

LED外延片的發展

 

LED外延片是指在一塊加熱至適當溫度的襯底基片（主要有藍寶石、SiC、Si等）上所生長出的特定單晶薄膜。外延片處于LED產業鏈中的上游環節，是半導體照明產業技術含量最高、對最終產品品質、成本控制影響最大的環節。

近年來，下游應用市場的繁榮帶動我國LED產業迅猛發展，外延片市場也迎來發展良機。國內LED外延片產能快速提升，技術水平不斷進步，產品已開始進入中高檔次。在芯片市場供貨偏緊和各地政策支持力度加大的背景下，2011年我國LED外延片產能繼續擴張。在區域分布上，我國LED外延片企業主要集中在閩三角地區、環渤海灣地區和珠三角地區。

外延片是LED核心器件中的前端高技術產品，我國在這一領域的企業競爭目前仍處于“藍海”階段。國內外延片市場的基本格局是外資企業產品技術占據主導，本土廠商逐步崛起。為進一步完善LED產業鏈，“十二五”期間各級政府將繼續加強對上游外延片領域基礎研究的投入，中下游企業也在積極向上游拓展，國內LED外延片市場發展前景樂觀。

紅黃光LED

 

紅光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)為主，主要采用GaP和GaAs作為襯底，未產業化的還有藍寶石Al2O3和硅襯底。

1、GaAs襯底：在使用LPE生長紅光LED時，一般使用AlGaAs外延層，而使用MOCVD生長紅黃光LED時，一般生長AlInGaP外延結構。外延層生長在GaAs襯底上，由于晶格匹配，容易生長出較好的材料，但缺點是其吸收這一波長的光子，布拉格反射鏡或晶片鍵合技術被用于消除這種額外的技術問題。

2、GaP襯底：在使用LPE生長紅黃光LED時，一般使用GaP外延層，波長范圍較寬565-700nm;使用VPE生長紅黃光LED時，生長GaAsP外延層，波長在630-650nm 之間;而使用MOCVD時，一般生長AlInGaP外延結構，這個結構很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點，直接將LED結構生長在透明襯底上，但缺點是晶格失配，需要利用緩沖層來生長InGaP和AlGaInP結構。另外，GaP基的III-N-V材料系統也引起廣泛的興趣，這種材料結構不但可以改變帶寬，還可以在只加入0.5 %氮的情況下，帶隙的變化從間接到直接，并在紅光區域具有很強的發光效應(650nm)。采用這樣的結構制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的異質結構，通過一步外延形成LED結構，并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復雜工藝。