LED外延片生長(zhǎng)的基本原理是：在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和、SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長(zhǎng)出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長(zhǎng)技術(shù)主要采用有機(jī)金屬化學(xué) 氣相沉積方法。
 襯底材料

　　LED外延片襯底材料是半導(dǎo)體照明 產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長(zhǎng)技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù) 的發(fā)展路線(xiàn)。

　　 選擇特點(diǎn)

　　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(chǎn)業(yè)化的還有藍(lán)寶石Al2O3和硅襯底。

　　1、GaAs襯底：在使用LPE生長(zhǎng)紅光LED時(shí)，一般使用AlGaAs外延層，而使用MOCVD生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí)，一般生長(zhǎng)AlInGaP外延結(jié)構(gòu)。外延層生長(zhǎng)在GaAs襯底上，由于晶格匹配，容易生長(zhǎng)出較好的材料，但缺點(diǎn)是其吸收這一波長(zhǎng)的光子，布拉格反射鏡或晶片鍵合技術(shù)被用于消除這種額外的技術(shù)問(wèn)題。

　　2、GaP襯底：在使用LPE生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí)，一般使用GaP外延層，波長(zhǎng)范圍較寬565-700nm;使用VPE生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí)，生長(zhǎng)GaAsP外延層，波長(zhǎng)在630-650nm 之間;而使用MOCVD時(shí)，一般生長(zhǎng)AlInGaP外延結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點(diǎn)，直接將LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在透明襯底上，但缺點(diǎn)是晶格失配，需要利用緩沖層來(lái)生長(zhǎng)InGaP和AlGaInP結(jié)構(gòu)。另外，GaP基的III-N-V材料系統(tǒng)也引起廣泛的興趣，這種材料結(jié)構(gòu)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(qū)域具有很強(qiáng)的發(fā)光效應(yīng)(650nm)。采用這樣的結(jié)構(gòu)制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)一步外延形成LED結(jié)構(gòu)，并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復(fù)雜工藝。

市場(chǎng)前景　　用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。

　　1、氮化鎵襯底： 用于氮化鎵生長(zhǎng)的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延片膜的晶體品質(zhì)，降

　　低位元錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度�？墒牵�制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過(guò)HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC、LGO)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過(guò)剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元錯(cuò)密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯(cuò)密度要明顯低;但價(jià)格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。2、藍(lán)寶石Al2O3襯底： 目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見(jiàn)光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟;不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過(guò)渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過(guò)同側(cè)P、N電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過(guò)雷射劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒(méi)有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問(wèn)題十分突出。

　　3、SiC襯底： 除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第2，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見(jiàn)光等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體品質(zhì)難以達(dá)到Al2O3和Si那麼好、機(jī)械加工性能比較差。 另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來(lái)研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問(wèn)題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問(wèn)題。目前國(guó)際上能提供商用的高品質(zhì)的SiC襯底的廠家只有CREE公司。

　　4、Si襯底： 在硅襯底上制備發(fā)光二極體是本領(lǐng)域中夢(mèng)寐以求的一件事情，因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破，外延片生長(zhǎng)成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 襯底上很難得到無(wú)龜裂及器件級(jí)品質(zhì)的GaN材料。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。

　　5、ZnO襯底： 之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小，接觸勢(shì)壘小)。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來(lái)制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料品質(zhì)達(dá)不到器件水準(zhǔn)和P型摻雜問(wèn)題沒(méi)有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)的重點(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法。但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲�，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體雷射器的候選材料。ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，可以采用沒(méi)有任何毒性的水為氧源，用有機(jī)金屬鋅為鋅源。

　　6、ZnSe襯底： 有人使用MBE在ZnSe襯底上生長(zhǎng)ZnCdSe/ZnSe等材料，用于藍(lán)光和綠光LED器件，最先由住友公司推出，由于其不需要熒光粉就可以實(shí)現(xiàn)白光LED的目標(biāo)，故可降低成品，同時(shí)電源回路構(gòu)造簡(jiǎn)單，其操作電壓也比GaN白光LED低。但是其并沒(méi)有推廣，這是因?yàn)橛捎谑褂肕OCVD，p型參雜沒(méi)有很好解決，試驗(yàn)中需要用到Sb來(lái)參雜，所以一般采用MBE生長(zhǎng)，同時(shí)其發(fā)光效率較低，，而且由于自補(bǔ)償效應(yīng)的影響，使得其性能不穩(wěn)定，器件壽命較短。

　　實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED，實(shí)現(xiàn)低成本，也要通過(guò)GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實(shí)現(xiàn)，以及帶動(dòng)的工藝技術(shù)的簡(jiǎn)化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實(shí)，其意義不亞于愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)取得長(zhǎng)足發(fā)展。

近年來(lái)，下游應(yīng)用市場(chǎng)的繁榮帶動(dòng)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，外延片市場(chǎng)也迎來(lái)發(fā)展良機(jī)。國(guó)內(nèi)LED外延片產(chǎn)能快速提升，技術(shù)水平不斷進(jìn)步，產(chǎn)品已開(kāi)始進(jìn)入中高檔次。在芯片市場(chǎng)供貨偏緊和各地政策支持力度加大的背景下，2011年我國(guó)LED外延片產(chǎn)能繼續(xù)擴(kuò)張。在區(qū)域分布上，我國(guó)LED外延片企業(yè)主要集中在閩三角地區(qū)、環(huán)渤海灣地區(qū)和珠三角地區(qū)。

　　外延片是LED核心器件中的前端高技術(shù)產(chǎn)品，我國(guó)在這一領(lǐng)域的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)目前仍處于“藍(lán)海”階段。國(guó)內(nèi)外延片市場(chǎng)的基本格局是外資企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)，本土廠商逐步崛起。為進(jìn)一步完善LED產(chǎn)業(yè)鏈，“十二五”期間各級(jí)政府將繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)上游外延片領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的投入，中下游企業(yè)也在積極向上游拓展，國(guó)內(nèi)LED外延片市場(chǎng)發(fā)展前景樂(lè)觀。