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LED産業における炭化ケイ素基板の躍進
炭化ケイ素は熱伝導率が高く（シリコンの3倍）、窒化ガリウム（4％）との格子不整合が小さいという長所を持ち、新世代の発光ダイオード（LED）基板材料に適している。炭化ケイ素は世界の半導体産業の最前線、司令塔になったと言っても過言ではない。LEDの準備過程において、上流の炭化ケイ素ウェハー（基板）材料は、LEDの色、明るさ、寿命、その他の性能指標を決定する主な要因である。
基板材料に要求される性能
基板材料は窒化ガリウムエピタキシャル膜成長の基礎であり、LEDデバイスの主成分でもあります。基板材料の表面粗さ、熱膨張係数、熱伝導係数、エピタキシャル材料間の格子整合度などの指標は、高輝度LEDの発光効率と安定性に大きな影響を与えます。
1.格子不整合と熱不整合
サファイアの格子不整合率は13.9%、シリコンの格子不整合率は16.9%、炭化シリコンの格子不整合率は3.4%に過ぎず、熱不整合率ではサファイアが30.3%で中間に位置し、単結晶シリコンの熱不整合率が53.48837%で最も高かった。
研究者らは、単結晶シリコン基板上に窒化ガリウムを成長させる過程で、窒化ガリウム膜が大きな熱応力を受け、その結果、エピタキシャル層に多数の欠陥、あるいはクラックが発生し、シリコン基板上に高品質の窒化ガリウム膜を成長させることが非常に困難であることを発見した。しかし、6H-SiCの熱不整合率はわずか15.92129％である。従って、結晶構造特性から見ると、4H-SiCと6H-SiCと窒化ガリウムの結晶構造は共にウルツ鉱構造であり、格子不整合率と熱不整合率が最も低く、高品質な窒化ガリウムエピタキシャル層の成長に最も適している。
2.電気伝導性
サファイアは絶縁体であり、この場合、垂直構造デバイスを作製することはできないため、n型およびp型電極は通常、エピタキシャル層の表面にのみ作製される。炭化ケイ素や単結晶シリコンは導電性がよく、縦型LEDを作ることができる。導電性基板を下部電極として使用するため、縦型LEDデバイスの上面には電極が1つしかなく、発光面積が増加する。その上、縦型LEDは電流分布密度がより均一であるため、横型構造の電流密度分布の不均一による局所的な過熱を避けることができ、より高い正電流を流すことができる。
3.熱伝導性
サファイアの放熱性能は低く、300Kで0.3W-cm-1- k-1しかなく、単結晶シリコンの300Kでの熱伝導率は1.3W-cm-1- k-1で、いずれも炭化ケイ素結晶の熱伝導率よりはるかに低い。サファイアの横型LEDに比べ、炭化ケイ素の縦型LEDは電極の両端から発熱できるため、高出力LEDの基板材料として適しており、寿命も長い。
4.光学性能
サファイアと炭化ケイ素は可視光を吸収しないが、シリコン基板は光を著しく吸収し、LEDの出力効率が低い。
しかし、炭化ケイ素基板は万能ではなく、最大の問題はウェハー生産にある。サファイアは、現在最も広く商業的に使用されているLED基板材料である。サファイアは溶融法で成長し、プロセスはより成熟している。より低コストで、より大きく、高品質の単結晶を得ることができ、産業開発に適している。同様に、単結晶シリコンの成長技術は非常に成熟しており、低コスト、大型（6～12インチ）、高品質の基板を容易に得ることができるため、LEDのコストを大幅に下げることができる。
しかし、炭化ケイ素単結晶を高品質で大型に成長させるのは難しい。炭化ケイ素の層状構造は劈開しやすく加工性が悪いため、基板表面に段差欠陥が発生しやすく、エピタキシャル層の品質に影響を与えやすい。同じサイズの炭化ケイ素基板は、サファイア基板の数十倍も高価であるため、大規模な用途には限界がある。
Chin Trento
