半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)指標(biāo)概況

半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)是指LED襯底、外延及芯片相關(guān)的內(nèi)容，這里將簡要介紹上游產(chǎn)業(yè)的概況及主要技術(shù)指標(biāo)。

技術(shù)發(fā)展和工藝改進，使LED成本大幅度下降，推動了LED應(yīng)用的全面發(fā)展。為進一步提升LED節(jié)能效果，全球相關(guān)單位均投入極大的研發(fā)力量，對LED性能、可靠性進行深入的研究開發(fā)，特別在LED襯底、外延、芯片的核心技術(shù)研究方面，已取得突破性成果。對LED發(fā)展提出了不同的技術(shù)路線和“終極目標(biāo)”的技術(shù)方案，以及提出新的發(fā)光材料。為此，本文除簡要描述半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況之外，也重點介紹了LED襯底、外延、芯片核心技術(shù)發(fā)展動態(tài)并探討相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及降低外延、芯片成本的技術(shù)。

一、半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)概況

半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)是指LED襯底、外延及芯片相關(guān)的內(nèi)容，這里將簡要介紹上游產(chǎn)業(yè)的概況及主要技術(shù)指標(biāo)。

1.LED襯底概況

目前用于LED產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化，其余的大部分以藍寶石為主。全球生產(chǎn)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(yù)測幾年后將以6″為主。由于生產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)效率、晶片質(zhì)量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底，取得了很大成果。

中國生產(chǎn)藍寶石襯底的企業(yè)約50家，其中已投產(chǎn)約20家左右，有人統(tǒng)計，2011年我國生產(chǎn)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(yè)直接生產(chǎn)PSS襯底的不多，企業(yè)的競爭力較差，企業(yè)走向轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)概況

全球從事LED外延及芯片研發(fā)生產(chǎn)單位約160家，共有MOCVD設(shè)備約3000臺，2011年生產(chǎn)芯片總量為820億只，2012年為950億只,2012年生產(chǎn)過剩率達35%。按4″晶片計算，生產(chǎn)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(jù)研究機構(gòu)預(yù)測在幾年內(nèi)將以6″晶片為主，會超過50%以上。由于外延技術(shù)的不斷發(fā)展，晶片尺寸不斷擴大，加上工藝技術(shù)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(yè)約50多家，其中已投產(chǎn)的約36家，正在籌建的有20多家。2012年底已有MOCVD設(shè)備約980臺，其中大部分以2″為主，2012年芯片的產(chǎn)量超過1000億只(含小芯片和四元系芯片)，產(chǎn)值達60億元(另有報道為80億元)。另外中國有16家企業(yè)正在研發(fā)制造MOCVD設(shè)備，其中有8家已做出樣機，并在上游企業(yè)試用，預(yù)計2013年應(yīng)該有國產(chǎn)MOCVD設(shè)備正式投產(chǎn)。由于國內(nèi)LED上游企業(yè)過多，大部分企業(yè)規(guī)模偏小，缺乏研發(fā)能力和競爭力，走向整合、兼并是必然的。

3.LED主要技術(shù)指標(biāo)

發(fā)光效率作為LED標(biāo)志性技術(shù)指標(biāo)，近兩年來有極大提升，日亞、飛利浦等幾個大企業(yè)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(xiàn)光通量400lm(在較大電流下)，首爾半導(dǎo)體宣布光通量達500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA電流下)。全球LED產(chǎn)業(yè)化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED產(chǎn)品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED產(chǎn)品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED產(chǎn)品。由于LED技術(shù)迅速發(fā)展，到底LED發(fā)光效率能提升到什么程度才算最后結(jié)果呢?最近有幾種提法，美國SSL計劃修定中提到LED光效產(chǎn)業(yè)化水平達266lm/W為終極目標(biāo)。三菱化學(xué)提出目標(biāo)：1mm×1mm芯片發(fā)光亮度達1000lm光通量。日本田村制作提出目標(biāo)：2mm×2mm芯片發(fā)光亮度達2000~3000lm光通量。上述所提的這些目標(biāo)均可達到單芯片制作成LED光源。

二、LED襯底、外延及芯片技術(shù)發(fā)展趨勢

近幾年LED技術(shù)發(fā)展迅速，襯底、外延及芯片核心技術(shù)取得突破性進展。本章節(jié)將對這些核心技術(shù)進行具體描述，并介紹發(fā)光新材料，進一步探索LED上游技術(shù)發(fā)展趨勢。

1.圖形化襯底

LED外延現(xiàn)階段普遍使用圖形化襯底(PSS)，PSS目前分為微米級PSS和納米級nPSS，微米級PSS有各種形狀圖形，如正角形、梯形、圓形、橢圓形、半球形、三棱錐形、六棱錐形、火山口形等，圖形高度一般1.1~1.6μm，圓直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術(shù)，2″圓片的成品率為80%~93%，4″圓片為40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用納米壓印技術(shù)，圖形大小約260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用納米光微影(NIL)新技術(shù)，將會降低nPSS成本，并可適用大晶圓尺寸，為此介紹二種納米級nPSS。

(1)nPSS襯底

nPSS采用納米壓印是接觸式，對納米模板及襯底平行度要求苛刻，脫模、排氣及母版污染等是影響成品率的主要因素，該技術(shù)瓶頸將盡快突破，將成為2013年的主流，nPSS優(yōu)點：LED更高發(fā)光效率，均勻性更好，成本低。如在藍寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm圓孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來的三倍。

(2)納米柱PSS

英國塞倫公司的新技術(shù)，在藍寶石襯底上采用獨特的納米光刻技術(shù)，形成表面的納米柱。該納米柱直徑是幾百納米，在此襯底上外延生長可緩解應(yīng)力85%，從而大幅度減少缺陷，在不增加成本情況下，可大幅提高發(fā)光亮度，LED光效的產(chǎn)業(yè)化水平可達200lm/W，并改善Droop效應(yīng)，衰減減緩約30%。

小結(jié)：PSS能較大提高LED發(fā)光效率，特別是納米級nPSS能更大提升LED發(fā)光效率，PSS是現(xiàn)階段LED核心技術(shù)的發(fā)展趨勢。對PSS在降低成本方面有不同看法。

2.同質(zhì)襯底

同質(zhì)襯底是以GaN作襯底，并在此襯底上生長GaN，全球相關(guān)研究機構(gòu)和大企業(yè)，如日亞、Cree等均投入很大研發(fā)力量，并取得了突破性進展。生長GaN襯底有多種方法，一般采用HVPE(氫化物氣相外延)或鈉流法，生產(chǎn)GaN襯底要很好解決殘留應(yīng)力和表面粗糙問題，襯底厚度約400~500μm，現(xiàn)可產(chǎn)業(yè)化。GaN襯底的優(yōu)點：位錯密度低(105~106個/cm2)，內(nèi)量子效率可達80%以上，生長時間短約2小時，節(jié)省大量原材料，可大幅度降低成本(目前襯底較貴)，下面介紹幾個主要研究成果。

(1)實現(xiàn)高亮度LED

豐田合成采用c面GaN襯底生長LED芯片，其面積為1mm2，可實現(xiàn)400lm光通量，可以實現(xiàn)單芯片LED的高亮度。

(2)HVPE生長GaN襯底產(chǎn)業(yè)化

三菱化學(xué)、住友電工、日立電線等公司采用HVPE法生長GaN襯底，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可提供2″GaN襯底，厚度450μm左右，位錯密度(106~107個/cm2)，三菱化學(xué)近期宣布可提供6″GaN襯底，并計劃2015年將成本降至目前的十分之一。