深度对比半导体照明三条主要技术路线

　　目前半导体照明主要有三条技术路线，分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线、以美国Cree为代表的碳化硅衬底LED技术路线，以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。2016年1月8日，南昌大学联合晶能光电的江风益团队“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”技术项目获得2015年度国家科学技术奖技术发明类唯一的一等奖，LED业界中国芯的梦想再次被激发。硅衬底技术项目的获奖，说明硅衬底已被国家证实可行，并已提升到国家战略层面。硅衬底或将迎来规模化的商业应用。

　　表1 GaN基LED三种主要衬底材料对比

　　图1 LED各种衬底材料的市场占有率（数据来源：YOLE，中信建投证劵研究发展部）

　　蓝宝石（Al2O3）衬底

　　2014 年10 月7 日瑞典皇家科学院宣布：赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014 年诺贝尔物理学奖。这3 位科学家的突出贡献在于，1993年他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN 基蓝光LED 的核心技术。20多年来，基于蓝宝石衬底的GaN 基蓝光LED技术和产业发展迅猛，占据了衬底市场90%以上的市场份额，成为目前市场上的主流技术路线。

　　蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料，蓝宝石具有高温下（2000℃）化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。

　　表2 蓝宝石衬底材料性能

　　蓝宝石衬底也有缺点，比如：第一，晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难；第二，蓝宝石是绝缘体，电阻率很大，无法制成垂直结构的器件；第三，通常只在外延层上表面制作N型和P型电极，造成了有效发光面积减少，材料利用率降低；第四，蓝宝石的硬度非常高，仅次于金刚石，难以对它进行薄化和切割；第五，蓝宝石导热性能不是很好，因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量，对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。

　　目前蓝宝石衬底的技术发展比较成熟，不足方面虽然很多，但都被逐个克服，例如：过渡层生长技术克服了较大的晶格失配问题；采用同侧 P、N 电极克服了导电性能差的问题；不易切割的问题可以通过雷射划片机解决；由于热失配导致的对外延层的压力问题也可以得到解决。不过，江风益认为，蓝宝石衬底很难做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因蓝宝石散热性能差，又难以剥离衬底，故在大功率LED 方面具有性能局限性。

　　蓝宝石衬底技术以日亚化学、丰田合成为代表。在蓝宝石晶体和晶片制备方面，国外主要集中在日本、美国、俄罗斯等国家，2010 年俄罗斯首次展出了200 mm 蓝宝石晶片。我国相对于国外存在较大差距，代表企业有元亮科技、同人电子、协鑫光电、重庆四联光电、中镓半导体、奥瑞德等。在外延方面，国内除了清华大学、北京大学、南昌大学、中科院半导体所等研究单位外，三安光电、华灿光电、上海北大蓝光、南昌欣磊光电、江西联创光电等企业在进行外延片的生产与研究。

　　蓝宝石材料目前生产能力过剩，低端市场竞争激烈。为延长LED产业链，应当高起点大力推进蓝宝石图形衬底发展。重点发展纳米级图形化蓝宝石衬底（PSS）、半球形和锥形图形衬底，以及激光诱导湿法刻蚀（LIBWE）、干法刻蚀等技术。同时，推动蓝宝石图形衬底相关的光刻和刻蚀以及相关检测设备、材料等发展。

　　碳化硅（SiC）衬底