深度對(duì)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(shí)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(huì)影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線，是整個(gè)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(lán)寶石襯底LED技術(shù)路線、以美國(guó)CREE為代表的碳化硅襯底LED技術(shù)路線，以及以中國(guó)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(tuán)隊(duì)“硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管”技術(shù)項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明類唯一的一等獎(jiǎng)， led室內(nèi)照明，LED業(yè)界中國(guó)芯的夢(mèng)想再次被激發(fā)。硅襯底技術(shù)項(xiàng)目的獲獎(jiǎng)，說明硅襯底已被國(guó)家證實(shí)可行，并已提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。硅襯底或?qū)⒂瓉硪?guī)模化的商業(yè)應(yīng)用。

表1  GaN基LED三種主要襯底材料對(duì)比

圖1  LED各種襯底材料的市場(chǎng)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(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這3 位科學(xué)家的突出貢獻(xiàn)在于，1993年他們突破了在藍(lán)寶石襯底上制備高光效GaN 基藍(lán)光LED 的核心技術(shù)。20多年來，基于藍(lán)寶石襯底的GaN 基藍(lán)光LED技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，占據(jù)了襯底市場(chǎng)90%以上的市場(chǎng)份額，成為目前市場(chǎng)上的主流技術(shù)路線。

藍(lán)寶石具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度高、硬度大、耐沖刷。作為襯底材料，藍(lán)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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

表2  藍(lán)寶石襯底材料性能

藍(lán)寶石襯底也有缺點(diǎn)，比如：第一，晶格失配和熱應(yīng)力失配會(huì)導(dǎo)致外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難；第二，醫(yī)院led照明，藍(lán)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(lán)寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，難以對(duì)它進(jìn)行薄化和切割；第五，藍(lán)寶石導(dǎo)熱性能不是很好，因此在使用LED器件時(shí)，會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量，LED-T5一體化燈管，對(duì)面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個(gè)非常重要的考慮因素。

目前藍(lán)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(gè)克服，例如：過渡層生長(zhǎng)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(jī)解決；由于熱失配導(dǎo)致的對(duì)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(lán)寶石襯底很難做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因藍(lán)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(lán)寶石襯底技術(shù)以日亞化學(xué)、豐田合成為代表。在藍(lán)寶石晶體和晶片制備方面，國(guó)外主要集中在日本、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家，2010 年俄羅斯首次展出了200 mm 藍(lán)寶石晶片。我國(guó)相對(duì)于國(guó)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(guó)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(lán)光、南昌欣磊光電、江西聯(lián)創(chuàng)光電等企業(yè)在進(jìn)行外延片的生產(chǎn)與研究。

藍(lán)寶石材料目前生產(chǎn)能力過剩，低端市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。為延長(zhǎng)LED產(chǎn)業(yè)鏈，應(yīng)當(dāng)高起點(diǎn)大力推進(jìn)藍(lán)寶石圖形襯底發(fā)展。重點(diǎn)發(fā)展納米級(jí)圖形化藍(lán)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(shí)，推動(dòng)藍(lán)寶石圖形襯底相關(guān)的光刻和刻蝕以及相關(guān)檢測(cè)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(lán)色發(fā)光二極管的襯底材料，打破了藍(lán)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(chǎng)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(lán)寶石相比，質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)上，藍(lán)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(lán)寶石高10倍以上；藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制造器件時(shí)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(zhǎng)型，兩個(gè)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(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，3c認(rèn)證，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)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(guó)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(guó)SiCrystal、日本新日鐵、昭和電工、東纖-道康寧。我國(guó)企業(yè)實(shí)力較弱，國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)和加工碳化硅襯底的企業(yè)或機(jī)構(gòu)有北京天科合達(dá)、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(guó)電子科技集團(tuán)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。