LED照明技術(shù)動(dòng)態(tài)（三）東芝快速推進(jìn)實(shí)用化,，實(shí)現(xiàn)“發(fā)光的線”

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-07-02

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 東芝與普瑞光電于2011年展開(kāi)合作,。2012年12月開(kāi)始以月產(chǎn)1000萬(wàn)個(gè)的規(guī)模共同量產(chǎn)采用8英寸（200mm）硅晶圓的白色LED封裝。利用石川縣加賀東芝電子公司的IGBT等Si制功率半導(dǎo)體的部分生產(chǎn)線來(lái)生產(chǎn)GaN on Si,。

       2013年4月,，東芝收購(gòu)了普瑞光電的LED開(kāi)發(fā)部門(mén)。2014年3月發(fā)布了第二款產(chǎn)品,。還計(jì)劃2015年4月之前推出第三款～第五款產(chǎn)品。東芝分立半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)部長(zhǎng)助理福岡和雄介紹說(shuō),，“我們?cè)贚ED芯片的開(kāi)發(fā)方面起步較晚,。出戰(zhàn)市場(chǎng)需要武器，我們的武器就是GaN on Si”,。

       普瑞光電開(kāi)發(fā)的減輕Si基板與GaN晶體間不匹配問(wèn)題的緩沖層技術(shù)非常優(yōu)秀注1）,。福岡表示，“也考慮過(guò)自主開(kāi)發(fā),，不過(guò)本著花錢買時(shí)間的原則,，最終收購(gòu)了普瑞光電”。

注1）某白色LED技術(shù)人員對(duì)此表示懷疑,，稱“如果普瑞光電的技術(shù)真那么優(yōu)秀,，會(huì)賣給其他公司嗎”。不過(guò),，普瑞光電將LED的量產(chǎn)全部委托給了東芝,，利用東芝制造的LED開(kāi)展業(yè)務(wù)。

       東芝還在快速提高LED的發(fā)光效率等性能,。2012年12月推出的首款產(chǎn)品,，LED照明品牌，發(fā)光效率在施加350mA電流時(shí)為112lm/W,，而2014年3月提高到了135lm/W,。另外，還計(jì)劃使2014年10月推出的第四款產(chǎn)品達(dá)到170lm/W,，使2015年4月推出的產(chǎn)品達(dá)到190lm/W,。如果能實(shí)現(xiàn)，那么只用一年半就實(shí)現(xiàn)了以往的白色LED技術(shù)用5年多時(shí)間提高的性能,。

考慮利用300mm晶圓

       福岡介紹說(shuō),，“Si基板上的GaN缺陷密度高達(dá)5～8×108個(gè)/cm2，是采用普通藍(lán)寶石基板時(shí)的約2倍,。不過(guò),，通過(guò)研究開(kāi)發(fā)，削減到了與藍(lán)寶石基板差不多的3×108個(gè)/cm2,。在不久的將來(lái),，性能將追上藍(lán)寶石基板,。成品率也比較高”。順便一提,，恒光電器,照亮您的生活,，在東芝等的技術(shù)中，吸收光的Si基板會(huì)在中途去除,，因此不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,。

       此外，國(guó)際資訊,，東芝還打算在不久的將來(lái)使用12英寸（300mm）晶圓,。福岡表示，“針對(duì)功率半導(dǎo)體的GaN on Si技術(shù)也在開(kāi)發(fā)之中,，有望與該技術(shù)一起利用300mm晶圓制造,。可能會(huì)利用四日市的工廠”,。

微細(xì)加工存在制約

       不過(guò)還有課題,。東芝等的技術(shù)采用的Si基板是半導(dǎo)體不常用的（111）晶體面的Si。福岡說(shuō),，企業(yè)資訊,，這是“為了提高與GaN的匹配性”。但這樣的話,，利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造裝置對(duì)Si基板面進(jìn)行微細(xì)加工等的工序就無(wú)法使用了,。比如，在藍(lán)寶石基板的表面形成凹凸以提高LED光提取效率的“PSS（Patterned Sapphire Substrate）”技術(shù)就難以用于Si基板,。

       在GaN on Si技術(shù)的研究中,，還有人在開(kāi)發(fā)能消除這種制約，從而全面發(fā)揮利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造裝置的優(yōu)勢(shì)的方法,。名古屋大學(xué)天野研究室開(kāi)發(fā)出了在普通半導(dǎo)體技術(shù)采用的Si（001）面上生長(zhǎng)GaN晶體的技術(shù),。重點(diǎn)是在Si與AlN之間夾住某金屬層。而且,，照明產(chǎn)品,，由于金屬層會(huì)反射GaN的光，因此也不用去除Si,。另外還有一些其他優(yōu)點(diǎn),，質(zhì)量，比如“與金屬層摻雜的Si基板能直接作為電極使用”（天野）,。

       天野研究室正以該金屬層技術(shù)為基礎(chǔ),， led服裝照明，開(kāi)發(fā)在硅晶圓上實(shí)施微細(xì)凹凸加工,，然后在上面形成GaN半導(dǎo)體層的GaN納米線技術(shù)（圖8（d））,。目標(biāo)是2020年之前在300mm硅晶圓上實(shí)現(xiàn)（圖9）,。

實(shí)現(xiàn)“發(fā)光的線”

       目前，除東芝外,，車間照明,，還有很多其他企業(yè)涉足GaN on Si技術(shù)注2）。不過(guò),，東芝已經(jīng)邁向下一階段,，超越了單純的LED芯片制造。該公司開(kāi)發(fā)的CSP（Chip Scale Package）技術(shù)于2014年3月實(shí)現(xiàn)實(shí)用化,，該技術(shù)是在晶圓上封裝利用GaN on Si技術(shù)制作的LED芯片（圖10）,。

圖10：封裝也采用Si技術(shù)
東芝CSP技術(shù)的制造流程概要（a）以及與以往封裝的不同（b）。即使采用相同尺寸的LED芯片,，封裝的面積也只有1/10。

注2）搶在東芝之前全球率先量產(chǎn)采用GaN on Si技術(shù)的LED芯片的中國(guó)晶能光電,、繼東芝之后于2013年3月開(kāi)始生產(chǎn)8英寸晶圓的法國(guó)Aledia,、德國(guó)歐司朗光電半導(dǎo)體、NTT,、荷蘭飛利浦流明等,。韓國(guó)三星電子也開(kāi)發(fā)出了采用8英寸硅晶圓的技術(shù)。堅(jiān)持進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的日本企業(yè)就更多了,。

       以往的采用藍(lán)寶石基板的LED也開(kāi)發(fā)出了CSP技術(shù),，但東芝的LED使用Si基板，CSP工序也可沿用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造技術(shù),，廠房照明,，制造更容易。例如,，在基板的去除工序中,，藍(lán)寶石基板需要使用激光，口碑,，而Si基板通過(guò)蝕刻即可去除,。

       目前，LED射燈,，LED封裝的制造成本有約60％都是封裝工序的成本,。利用東芝的CSP技術(shù)有望大幅降低這一成本。

       不過(guò),，ROSH認(rèn)證,，東芝將該CSP技術(shù)定位為L(zhǎng)ED的新附加值，而不是單純的成本削減技術(shù),。雖然與以往的封裝采用相同的LED芯片,，照明資質(zhì),，但封裝面積只有0.65mm見(jiàn)方，還不到原來(lái)的1/10,。因此,，節(jié)能與環(huán)保，不用提高電流密度就能在維持發(fā)光效率的同時(shí)較原來(lái)大幅提高亮度,。

       東芝設(shè)想將其用于發(fā)揮其超小型,、超薄型特點(diǎn)的薄型智能手機(jī)和超小型照明器具等。另外,，“還考慮在金屬線上安裝該LED,，形成線光源”（福岡）。