LED襯底、外延及芯片的技術(shù)發(fā)展及其趨勢

技術(shù)發(fā)展和工藝改進，使LED成本大幅度下降，推動了LED應用的全面發(fā)展。為進一步提升LED節(jié)能效果，全球相關(guān)單位均投入極大的研發(fā)力量，對LED性能、可靠性進行深入的研究開發(fā)，特別在LED襯底、外延、芯片的核心技術(shù)研究方面，已取得突破性成果。對LED發(fā)展提出了不同的技術(shù)路線和“終極目標”的技術(shù)方案，以及提出新的發(fā)光材料。為此，本文除簡要描述半導體照明上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況之外，也重點介紹了LED襯底、外延、芯片核心技術(shù)發(fā)展動態(tài)并探討相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及降低外延、芯片成本的技術(shù)。

一、半導體照明上游產(chǎn)業(yè)概況

半導體照明上游產(chǎn)業(yè)是指LED襯底、外延及芯片相關(guān)的內(nèi)容，這里將簡要介紹上游產(chǎn)業(yè)的概況及主要技術(shù)指標。

1.LED襯底概況

目前用于LED產(chǎn)業(yè)化的襯底主要有藍寶石(Al2O3)、SiC和Si，Cree公司用SiC為襯底，東芝公司宣布8″的硅襯底生長LED將于2013年產(chǎn)業(yè)化，其余的大部分以藍寶石為主。全球生產(chǎn)藍寶石襯底有130多家，其中有80多家是近兩年加入的。2012年的需求量約9600萬片(以2″計算)，其中藍寶石圖形化襯底(PSS)占70%~80%，目前仍以2″和4″襯底片為主，由于同樣面積的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以預測幾年后將以6″為主。由于生產(chǎn)能力過大，供大于求，致使藍寶石晶片價格大幅度下降，大約為每片7~8美元。在藍寶石晶體生長上大部分采用A軸向生長，取出C軸向的晶片，材料利用率過低，2″為35%左右，6″約為20%。有資料顯示：采用CHES法直接按C軸向生長，材料利用率可達75%，而且減少了張力和應力，從而降低了襯底晶片的彎曲度和翹曲度，因此，極大提高了藍寶石襯底的生產(chǎn)效率、晶片質(zhì)量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底，取得了很大成果。

中國生產(chǎn)藍寶石襯底的企業(yè)約50家，其中已投產(chǎn)約20家左右，有人統(tǒng)計，2011年我國生產(chǎn)能力已達15000萬片/年(以2″計算)，超過全球的需求量。而且由于藍寶石企業(yè)直接生產(chǎn)PSS襯底的不多，企業(yè)的競爭力較差，企業(yè)走向轉(zhuǎn)型、整合、兼并是必然的。另外，還有山東華光采用SiC襯底生長LED，南昌晶能采用6″的Si襯底生長LED，均取得較好成果。

2.LED外延及芯片產(chǎn)業(yè)概況

全球從事LED外延及芯片研發(fā)生產(chǎn)單位約160家，共有MOCVD設(shè)備約3000臺，2011年生產(chǎn)芯片總量為820億只，2012年為950億只,2012年生產(chǎn)過剩率達35%。按4″晶片計算，生產(chǎn)能力為200萬片/月，其中中國占25.8%、臺灣21.8%、日本19.2%、韓國17.3%、美國11.8%、歐洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″為主，據(jù)研究機構(gòu)預測在幾年內(nèi)將以6″晶片為主，會超過50%以上。由于外延技術(shù)的不斷發(fā)展，晶片尺寸不斷擴大，加上工藝技術(shù)的進一步改進，外延片的成本會大幅度下降。

中國LED外延及芯片企業(yè)約50多家，其中已投產(chǎn)的約36家，正在籌建的有20多家。2012年底已有MOCVD設(shè)備約980臺，其中大部分以2″為主，2012年芯片的產(chǎn)量超過1000億只(含小芯片和四元系芯片)，產(chǎn)值達60億元(另有報道為80億元)。另外中國有16家企業(yè)正在研發(fā)制造MOCVD設(shè)備，其中有8家已做出樣機，并在上游企業(yè)試用，預計2013年應該有國產(chǎn)MOCVD設(shè)備正式投產(chǎn)。由于國內(nèi)LED上游企業(yè)過多，大部分企業(yè)規(guī)模偏小，缺乏研發(fā)能力和競爭力，走向整合、兼并是必然的。

3.LED主要技術(shù)指標

發(fā)光效率作為LED標志性技術(shù)指標，近兩年來有極大提升，日亞、飛利浦等幾個大企業(yè)實驗室水平均超過240lm/W，Cree公司2013年2月宣布實驗室光效達276lm/W，豐田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片實現(xiàn)光通量400lm(在較大電流下)，首爾半導體宣布光通量達500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA電流下)。全球LED產(chǎn)業(yè)化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED產(chǎn)品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED產(chǎn)品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED產(chǎn)品。由于LED技術(shù)迅速發(fā)展，到底LED發(fā)光效率能提升到什么程度才算最后結(jié)果呢?最近有幾種提法，美國SSL計劃修定中提到LED光效產(chǎn)業(yè)化水平達266lm/W為終極目標。三菱化學提出目標：1mm×1mm芯片發(fā)光亮度達1000lm光通量。日本田村制作提出目標：2mm×2mm芯片發(fā)光亮度達2000~3000lm光通量。上述所提的這些目標均可達到單芯片制作成LED光源。

二、LED襯底、外延及芯片技術(shù)發(fā)展趨勢

近幾年LED技術(shù)發(fā)展迅速，襯底、外延及芯片核心技術(shù)取得突破性進展。本章節(jié)將對這些核心技術(shù)進行具體描述，并介紹發(fā)光新材料，進一步探索LED上游技術(shù)發(fā)展趨勢。