为什么选择碳化硅做器件的衬底
衬底材料的性能要求
衬底材料是氮化镓外延膜生长的基础，同时又是构成LED器件的主要组成。衬底材料表面粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、与外延材料间晶格匹配程度等指标深刻影响着所生产高亮度LED的发光效率与稳定性。表1展示了合格的衬底材料所要考察的性能要求及其解释。
衬底材料性能要求 | 解释 |
晶体结构特性好 | 外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小 |
界面特性好 | 有利于外延材料成核且粘附性强 |
化学稳定性好 | 在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。 |
热学性能好 | 导热性好和热失配度小，尤其衬底与外延膜热膨胀系数的匹配非常重要，若相差太多会使外延膜质量下降。 |
导电性好 | 能制成上下结构 |
光学性能好 | 制作的器件所发出的光被衬底吸收小 |
加工性好 | 器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等 |
价格低廉 | 产业化发展需要，成本不宜过高。 |
尺寸大 | 一般要求直径不小于2英寸 |
常见衬底材料的性能对比
目前，常见的衬底材料有蓝宝石（Al2O3）、单晶硅和碳化硅。碳化硅具有多种晶型，可分为三大类：立方型（如3C-SiC）、六角型（如4H-SiC）和菱形（如15R-SiC），其中4H-SiC和6H-SiC主要用作氮化镓衬底。其主要性质参见表2。
表2 常见衬底材料主要性质
（数据来源：GaN基发光二极管衬底材料的研究进展）
让我们对比蓝宝石、Si、SiC。
失配方面。对于GaN晶格失配率，蓝宝石为13.9％，Si为16.9％，而SiC仅为3.4％；热失配率，蓝宝石为30.3％，Si为53.5％，SiC仅有15.9％。因此，就晶体结构特性而言，4H-SiC和6H-SiC的晶体结构与GaN均为纤锌矿结构，晶格失配率和热失配率均最低，最适合生长高质量的GaN外延层。
导电性方面。蓝宝石是绝缘的，没法制备垂直型器件。
热导率方面。蓝宝石的热导率仅为0.3W·cm-1·K-1，Si的热导率为1.48W·cm-1·K-1，均远低于SiC的热导率3.4W·cm-1·K-1。
光学性能方面。蓝宝石和SiC均不吸收可见光，Si衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。
综述，碳化硅衬底对于生长氮化镓有着众多的优势。
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