LED襯底、外延及芯片的技術發展趨勢

文章來源:恒光電器

發布時間:2013-10-21

瀏覽次數:次

 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，質量，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，LED照明企業，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。