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光学工程
LED衬底、外延及芯片的技术

技术发展和工艺改进,使LED成本大幅度下降,推动了LED应用的全面发展。为进一步提升LED节能效果,全球相关单位均投入极大的研发力量,对LED性能、可靠性进行深入的研究开发,特别在LED衬底、外延、芯片的核心技术研究方面,已取得突破性成果。对LED发展提出了不同的技术路线和“终极目标”的技术方案,以及提出新的发光材料。为此,本文除简要描述半导体照明上游产业发展概况之外,也重点介绍了LED衬底、外延、芯片核心技术发展动态并探讨相关技术的发展趋势,以及降低外延、芯片成本的技术。

一、半导体照明上游产业概况

半导体照明上游产业是指LED衬底、外延及芯片相关的内容,这里将简要介绍上游产业的概况及主要技术指标。

1.LED衬底概况

目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石(Al2O3)、SiC和Si,Cree公司用SiC为衬底,东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化,其余的大部分以蓝宝石为主。全球生产蓝宝石衬底有130多家,其中有80多家是近两年加入的。2012年的需求量约9600万片(以2″计算),其中蓝宝石图形化衬底(PSS)占70%~80%,目前仍以2″和4″衬底片为主,由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片,所以预测几年后将以6″为主。由于生产能力过大,供大于求,致使蓝宝石晶片价格大幅度下降,大约为每片7~8美元。在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长,取出C轴向的晶片,材料利用率过低,2″为35%左右,6″约为20%。有资料显示:采用CHES法直接按C轴向生长,材料利用率可达75%,而且减少了张力和应力,从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度,因此,极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。近几年全球正在研究很多LED的新衬底,取得了很大成果。

中国生产蓝宝石衬底的企业约50家,其中已投产约20家左右,有人统计,2011年我国生产能力已达15000万片/年(以2″计算),超过全球的需求量。而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多,企业的竞争力较差,企业走向转型、整合、兼并是必然的。另外,还有山东华光采用SiC衬底生长LED,南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED,均取得较好成果。

2.LED外延及芯片产业概况

全球从事LED外延及芯片研发生产单位约160家,共有MOCVD设备约3000台,2011年生产芯片总量为820亿只,2012年为950亿只,2012年生产过剩率达35%。按4″晶片计算,生产能力为200万片/月,其中中国占25.8%、台湾21.8%、日本19.2%、韩国17.3%、美国11.8%、欧洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″为主,据研究机构预测在几年内将以6″晶片为主,会超过50%以上。由于外延技术的不断发展,晶片尺寸不断扩大,加上工艺技术的进一步改进,外延片的成本会大幅度下降。

中国LED外延及芯片企业约50多家,其中已投产的约36家,正在筹建的有20多家。2012年底已有MOCVD设备约980台,其中大部分以2″为主,2012年芯片的产量超过1000亿只(含小芯片和四元系芯片),产值达60亿元(另有报道为80亿元)。另外中国有16家企业正在研发制造MOCVD设备,其中有8家已做出样机,并在上游企业试用,预计2013年应该有国产MOCVD设备正式投产。由于国内LED上游企业过多,大部分企业规模偏小,缺乏研发能力和竞争力,走向整合、兼并是必然的。

3.LED主要技术指标

发光效率作为LED标志性技术指标,近两年来有极大提升,日亚、飞利浦等几个大企业实验室水平均超过240lm/W,Cree公司2013年2月宣布实验室光效达276lm/W,丰田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片实现光通量400lm(在较大电流下),首尔半导体宣布光通量达500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA电流下)。全球LED产业化水平,目前可提供光效120~150lm/W的LED产品,Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED产品,12月底又宣布可提供200lm/W的LED产品。由于LED技术迅速发展,到底LED发光效率能提升到什么程度才算最后结果呢?最近有几种提法,美国SSL计划修定中提到LED光效产业化水平达266lm/W为终极目标。三菱化学提出目标:1mm×1mm芯片发光亮度达1000lm光通量。日本田村制作提出目标:2mm×2mm芯片发光亮度达2000~3000lm光通量。上述所提的这些目标均可达到单芯片制作成LED光源。

二、LED衬底、外延及芯片技术发展趋势

近几年LED技术发展迅速,衬底、外延及芯片核心技术取得突破性进展。本章节将对这些核心技术进行具体描述,并介绍发光新材料,进一步探索LED上游技术发展趋势。

1.图形化衬底

LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS),PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS,微米级PSS有各种形状图形,如正角形、梯形、圆形、椭圆形、半球形、三棱锥形、六棱锥形、火山口形等,图形高度一般1.1~1.6μm,圆直径2.5~3μm,周期约4μm,采用光微投影及电浆干式蚀刻技术,2″圆片的成品率为80%~93%,4″圆片为40%~70%,一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用纳米压印技术,图形大小约260nm,周期约460nm,一般可提高光效70%左右,正在采用纳米光微影(NIL)新技术,将会降低nPSS成本,并可适用大晶圆尺寸,为此介绍二种纳米级nPSS。

(1)nPSS衬底

nPSS采用纳米压印是接触式,对纳米模板及衬底平行度要求苛刻,脱模、排气及母版污染等是影响成品率的主要因素,该技术瓶颈将尽快突破,将成为2013年的主流,nPSS优点:LED更高发光效率,均匀性更好,成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm圆孔的六角形阵列,使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

(2)纳米柱PSS

英国塞伦公司的新技术,在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术,形成表面的纳米柱。该纳米柱直径是几百纳米,在此衬底上外延生长可缓解应力85%,从而大幅度减少缺陷,在不增加成本情况下,可大幅提高发光亮度,LED光效的产业化水平可达200lm/W,并改善Droop效应,衰减减缓约30%。

小结:PSS能较大提高LED发光效率,特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率,PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。

2.同质衬底

同质衬底是以GaN作衬底,并在此衬底上生长GaN,全球相关研究机构和大企业,如日亚、Cree等均投入很大研发力量,并取得了突破性进展。生长GaN衬底有多种方法,一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法,生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题,衬底厚度约400~500μm,现可产业化。GaN衬底的优点:位错密度低(105~106个/cm2),内量子效率可达80%以上,生长时间短约2小时,节省大量原材料,可大幅度降低成本(目前衬底较贵),下面介绍几个主要研究成果。

(1)实现高亮度LED

丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片,其面积为1mm2,可实现400lm光通量,可以实现单芯片LED的高亮度。

(2)HVPE生长GaN衬底产业化

三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底,实现产业化可提供2″GaN衬底,厚度450μm左右,位错密度(106~107个/cm2),三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底,并计划2015年将成本降至目前的十分之一。

 


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