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LED襯底、外延及芯片的技術發展趨勢

編輯：admin 2014-06-25 14:52:59 瀏覽：1349 來源：

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

　　一、半導體照明上游產業概況

　　半導體照明上游產業是指LED襯底、外延及芯片相關的內容，這里將簡要介紹上游產業的概況及主要技術指標。

　　1.LED襯底概況

　　目前用于LED產業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年產業化，其余的大部分以藍寶石為主。全球生產藍寶石襯底有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效率、晶片質量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底，取得了很大成果。

　　中國生產藍寶石襯底的企業約50家，其中已投產約20家左右，有人統計，2011年我國生產能力已達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直接生產PSS襯底的不多，企業的競爭力較差，企業走向轉型、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外延及芯片產業概況

　　全球從事LED外延及芯片研發生產單位約160家，共有MOCVD設備約3000臺，2011年生產芯片總量為820億只，2012年為950億只,2012年生產過剩率達35%。按4″晶片計算，生產能力為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，據研究機構預測在幾年內將以6″晶片為主，會超過50%以上。由于外延技術的不斷發展，晶片尺寸不斷擴大，加上工藝技術的進一步改進，外延片的成本會大幅度下降。

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

　　3.LED主要技術指標

　　發光效率作為LED標志性技術指標，近兩年來有極大提升，日亞、飛利浦等幾個大企業實驗室水平均超過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產業化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED產品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED產品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED產品。由于LED技術迅速發展，到底LED發光效率能提升到什么程度才算最后結果呢?最近有幾種提法，美國SSL計劃修定中提到LED光效產業化水平達266lm/W為終極目標。三菱化學提出目標：1mm×1mm芯片發光亮度達1000lm光通量。日本田村制作提出目標：2mm×2mm芯片發光亮度達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、外延及芯片技術發展趨勢

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

　　1.圖形化襯底

　　LED外延現階段普遍使用圖形化襯底(PSS)，PSS目前分為微米級PSS和納米級nPSS，微米級PSS有各種形狀圖形，如正角形、梯形、圓形、橢圓形、半球形、三棱錐形、六棱錐形、火山口形等，圖形高度一般1.1~1.6μm，圓直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術，2″圓片的成品率為80%~93%，4″圓片為40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用納米壓印技術，圖形大小約260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用納米光微影(NIL)新技術，將會降低nPSS成本，并可適用大晶圓尺寸，為此介紹二種納米級nPSS。

　　(1)nPSS襯底

　　nPSS采用納米壓印是接觸式，對納米模板及襯底平行度要求苛刻，脫模、排氣及母版污染等是影響成品率的主要因素，該技術瓶頸將盡快突破，將成為2013年的主流，nPSS優點：LED更高發光效率，均勻性更好，成本低。如在藍寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm圓孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來的三倍。

　　(2)納米柱PSS

　　英國塞倫公司的新技術，在藍寶石襯底上采用獨特的納米光刻技術，形成表面的納米柱。該納米柱直徑是幾百納米，在此襯底上外延生長可緩解應力85%，從而大幅度減少缺陷，在不增加成本情況下，可大幅提高發光亮度，LED光效的產業化水平可達200lm/W，并改善Droop效應，衰減減緩約30%。

　　小結：PSS能較大提高LED發光效率，特別是納米級nPSS能更大提升LED發光效率，PSS是現階段LED核心技術的發展趨勢。對PSS在降低成本方面有不同看法。

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