深度對比半導(dǎo)體照明三條主要技術(shù)路線
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2016-02-22
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在LED的制備過程中,，節(jié)能與環(huán)保,，上游的襯底材料是決定LED顏色、亮度,、壽命等性能指標(biāo)的主要因素,。襯底材料表面的粗糙度、熱膨脹系數(shù),、熱傳導(dǎo)系數(shù),、極性的影響、表面的加工要求以及與外延材料間晶格間是否匹配,，這些因素與高亮度LED的發(fā)光效率與穩(wěn)定性密切相關(guān),。因此，襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石,，襯底材料的技術(shù)路線必然會影響整個產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線,，是整個產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵。
目前半導(dǎo)體照明主要有三條技術(shù)路線,，分別是以日本日亞化學(xué)為代表的藍寶石襯底LED技術(shù)路線,、以美國CREE為代表的碳化硅襯底LED技術(shù)路線,，以及以中國晶能光電為代表的硅襯底LED技術(shù)路線,。2016年1月8日，南昌大學(xué)聯(lián)合晶能光電的江風(fēng)益團隊“硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管”技術(shù)項目獲得2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎技術(shù)發(fā)明類唯一的一等獎,， led室內(nèi)照明,，LED業(yè)界中國芯的夢想再次被激發(fā)。硅襯底技術(shù)項目的獲獎,，說明硅襯底已被國家證實可行,，并已提升到國家戰(zhàn)略層面。硅襯底或?qū)⒂瓉硪?guī)�,；纳虡I(yè)應(yīng)用,。
表1 GaN基LED三種主要襯底材料對比
圖1 LED各種襯底材料的市場占有率（數(shù)據(jù)來源：YOLE，中信建投證劵研究發(fā)展部）
2014 年10 月7 日瑞典皇家科學(xué)院宣布：赤崎勇,、天野浩和中村修二因發(fā)明“高效藍色發(fā)光二極管”獲得2014 年諾貝爾物理學(xué)獎,。這3 位科學(xué)家的突出貢獻在于，1993年他們突破了在藍寶石襯底上制備高光效GaN 基藍光LED 的核心技術(shù),。20多年來,，基于藍寶石襯底的GaN 基藍光LED技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,，占據(jù)了襯底市場90%以上的市場份額，成為目前市場上的主流技術(shù)路線,。
藍寶石具有優(yōu)異的光學(xué)性能,、機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強度高,、硬度大,、耐沖刷。作為襯底材料,，藍寶石具有高溫下（2000℃）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定好,、可見光不易吸收、價格便宜等優(yōu)點,。
表2 藍寶石襯底材料性能
藍寶石襯底也有缺點,，比如：第一，晶格失配和熱應(yīng)力失配會導(dǎo)致外延層中產(chǎn)生大量缺陷,，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難,；第二，醫(yī)院led照明,，藍寶石是絕緣體,，電阻率很大，無法制成垂直結(jié)構(gòu)的器件,；第三,，通常只在外延層上表面制作N型和P型電極，造成了有效發(fā)光面積減少,，材料利用率降低,；第四，企業(yè)資訊,，藍寶石的硬度非常高,，僅次于金剛石，難以對它進行薄化和切割,；第五,，藍寶石導(dǎo)熱性能不是很好，因此在使用LED器件時,，會傳導(dǎo)出大量的熱量,，LED-T5一體化燈管，對面積較大的大功率器件,，導(dǎo)熱性能是一個非常重要的考慮因素,。
目前藍寶石襯底的技術(shù)發(fā)展比較成熟，不足方面雖然很多,，但都被逐個克服,，例如：過渡層生長技術(shù)克服了較大的晶格失配問題,；采用同側(cè) P、N 電極克服了導(dǎo)電性能差的問題,；不易切割的問題可以通過雷射劃片機解決,；由于熱失配導(dǎo)致的對外延層的壓力問題也可以得到解決。不過,，江風(fēng)益認(rèn)為,，LED照明企業(yè)，藍寶石襯底很難做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延,，且因藍寶石散熱性能差,，又難以剝離襯底，故在大功率LED 方面具有性能局限性,。
藍寶石襯底技術(shù)以日亞化學(xué),、豐田合成為代表。在藍寶石晶體和晶片制備方面,，國外主要集中在日本,、美國、俄羅斯等國家,，2010 年俄羅斯首次展出了200 mm 藍寶石晶片,。我國相對于國外存在較大差距，酒店led照明,，代表企業(yè)有元亮科技,、同人電子、協(xié)鑫光電,、重慶四聯(lián)光電,、中鎵半導(dǎo)體、奧瑞德等,。在外延方面,，國內(nèi)除了清華大學(xué)、北京大學(xué),、南昌大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所等研究單位外,，LED天花燈,，三安光電、華燦光電,、上海北大藍光,、南昌欣磊光電、江西聯(lián)創(chuàng)光電等企業(yè)在進行外延片的生產(chǎn)與研究,。
藍寶石材料目前生產(chǎn)能力過剩,，低端市場競爭激烈,。為延長LED產(chǎn)業(yè)鏈，應(yīng)當(dāng)高起點大力推進藍寶石圖形襯底發(fā)展,。重點發(fā)展納米級圖形化藍寶石襯底（PSS）,、半球形和錐形圖形襯底，以及激光誘導(dǎo)濕法刻蝕（LIBWE）,、干法刻蝕等技術(shù),。同時，推動藍寶石圖形襯底相關(guān)的光刻和刻蝕以及相關(guān)檢測設(shè)備,、材料等發(fā)展,。
SiC具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué),、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì),，不但是制作高溫、高頻,、大功率電子器件的最佳材料之一,，而且可以用作基于GaN的藍色發(fā)光二極管的襯底材料，打破了藍寶石一統(tǒng)天下的局面,，尤其在路燈和室外照明領(lǐng)域具有巨大的市場潛力,。在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 兩種。
表3 SiC 襯底材料性能
碳化硅與藍寶石相比,，質(zhì)量,，在結(jié)構(gòu)上，藍寶石不是半導(dǎo)體而是絕緣體,，它只能做單面電極,；碳化硅是導(dǎo)電的半導(dǎo)體，LED射燈,，它可以做垂直結(jié)構(gòu),。碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能要比藍寶石高10倍以上；藍寶石本身是熱的不良導(dǎo)體,，并且在制造器件時底部需要使用銀膠固晶,，銀膠的傳熱性能也很差。而使用碳化硅襯底的芯片電極為L型,，兩個電極分布在器件的表面和底部,，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴散層,，3c認(rèn)證,，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。
在碳化硅襯底領(lǐng)域,，美國Cree幾乎壟斷了優(yōu)質(zhì)碳化硅襯底的全球供應(yīng),，其次是德國SiCrystal、日本新日鐵,、昭和電工,、東纖-道康寧。我國企業(yè)實力較弱,，國內(nèi)能生產(chǎn)和加工碳化硅襯底的企業(yè)或機構(gòu)有北京天科合達,、山東天岳、山東大學(xué),、中科院物理所,、中科院上海硅酸鹽所、中國電子科技集團46所等,。2015年7月,，山東天岳自主研制的一款4英寸高純半絕緣碳化硅襯底產(chǎn)品面世。