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光學工程
LED襯底、外延及芯片的技術

技術發展和工藝改進,使LED成本大幅度下降,推動了LED應用的全面發展。為進一步提升LED節能效果,全球相關單位均投入極大的研發力量,對LED性能、可靠性進行深入的研究開發,特別在LED襯底、外延、芯片的核心技術研究方面,已取得突破性成果。對LED發展提出了不同的技術路線和“終極目標”的技術方案,以及提出新的發光材料。為此,本文除簡要描述半導體照明上游產業發展概況之外,也重點介紹了LED襯底、外延、芯片核心技術發展動態并探討相關技術的發展趨勢,以及降低外延、芯片成本的技術。

一、半導體照明上游產業概況

半導體照明上游產業是指LED襯底、外延及芯片相關的內容,這里將簡要介紹上游產業的概況及主要技術指標。

1.LED襯底概況

目前用于LED產業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年產業化,其余的大部分以藍寶石為主。全球生產藍寶石襯底有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,所以預測幾年后將以6″為主。由于生產能力過大,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效率、晶片質量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底,取得了很大成果。

中國生產藍寶石襯底的企業約50家,其中已投產約20家左右,有人統計,2011年我國生產能力已達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直接生產PSS襯底的不多,企業的競爭力較差,企業走向轉型、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外延及芯片產業概況

全球從事LED外延及芯片研發生產單位約160家,共有MOCVD設備約3000臺,2011年生產芯片總量為820億只,2012年為950億只,2012年生產過剩率達35%。按4″晶片計算,生產能力為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,據研究機構預測在幾年內將以6″晶片為主,會超過50%以上。由于外延技術的不斷發展,晶片尺寸不斷擴大,加上工藝技術的進一步改進,外延片的成本會大幅度下降。

中國LED外延及芯片企業約50多家,其中已投產的約36家,正在籌建的有20多家。2012年底已有MOCVD設備約980臺,其中大部分以2″為主,2012年芯片的產量超過1000億只(含小芯片和四元系芯片),產值達60億元(另有報道為80億元)。另外中國有16家企業正在研發制造MOCVD設備,其中有8家已做出樣機,并在上游企業試用,預計2013年應該有國產MOCVD設備正式投產。由于國內LED上游企業過多,大部分企業規模偏小,缺乏研發能力和競爭力,走向整合、兼并是必然的。

3.LED主要技術指標

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

二、LED襯底、外延及芯片技術發展趨勢

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

1.圖形化襯底

LED外延現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,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,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,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,該技術瓶頸將盡快突破,將成為2013年的主流,nPSS優點:LED更高發光效率,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,在藍寶石襯底上采用獨特的納米光刻技術,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,可大幅提高發光亮度,LED光效的產業化水平可達200lm/W,并改善Droop效應,衰減減緩約30%。

小結:PSS能較大提高LED發光效率,特別是納米級nPSS能更大提升LED發光效率,PSS是現階段LED核心技術的發展趨勢。對PSS在降低成本方面有不同看法。

2.同質襯底

同質襯底是以GaN作襯底,并在此襯底上生長GaN,全球相關研究機構和大企業,如日亞、Cree等均投入很大研發力量,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GaN襯底要很好解決殘留應力和表面粗糙問題,襯底厚度約400~500μm,現可產業化。GaN襯底的優點:位錯密度低(105~106個/cm2),內量子效率可達80%以上,生長時間短約2小時,節省大量原材料,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400lm光通量,可以實現單芯片LED的高亮度。

(2)HVPE生長GaN襯底產業化

三菱化學、住友電工、日立電線等公司采用HVPE法生長GaN襯底,實現產業化可提供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。

 


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