LED衬底、外延及芯片的技术发展趋势

技术发展和工艺改进，使LED成本大幅度下降，推动了LED应用的全面发展。为进一步提升LED节能效果，全球相关单位均投入极大的研发力量，对LED性能、可靠性进行深入的研究开发，特别在LED衬底、外延、芯片的核心技术研究方面，已取得突破性成果。对LED发展提出了不同的技术路线和“终极目标”的技术方案，以及提出新的发光材料。为此，本文除简要描述半导体照明上游产业发展概况之外，也重点介绍了LED衬底、外延、芯片核心技术发展动态并探讨相关技术的发展趋势，以及降低外延、芯片成本的技术。

一、半导体照明上游产业概况

半导体照明上游产业是指LED衬底、外延及芯片相关的内容，这里将简要介绍上游产业的概况及主要技术指标。

1.LED衬底概况

目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石(Al2O3)、SiC和Si，Cree公司用SiC为衬底，东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化，其余的大部分以蓝宝石为主。全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中有80多家是近两年加入的。2012年的需求量约9600万片(以2″计算)，其中蓝宝石图形化衬底(PSS)占70%~80%，目前仍以2″和4″衬底片为主，由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以预测几年后将以6″为主。由于生产能力过大，供大于求，致使蓝宝石晶片价格大幅度下降，大约为每片7~8美元。在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长，取出C轴向的晶片，材料利用率过低，2″为35%左右，6″约为20%。有资料显示：采用CHES法直接按C轴向生长，材料利用率可达75%，而且减少了张力和应力，从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度，因此，极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。近几年全球正在研究很多LED的新衬底，取得了很大成果。

中国生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约20家左右，有人统计，2011年我国生产能力已达15000万片/年(以2″计算)，超过全球的需求量。而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多，企业的竞争力较差，企业走向转型、整合、兼并是必然的。另外，还有山东华光采用SiC衬底生长LED，南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED，均取得较好成果。

2.LED外延及芯片产业概况

全球从事LED外延及芯片研发生产单位约160家，共有MOCVD设备约3000台，2011年生产芯片总量为820亿只，2012年为950亿只,2012年生产过剩率达35%。按4″晶片计算，生产能力为200万片/月，其中中国占25.8%、台湾21.8%、日本19.2%、韩国17.3%、美国11.8%、欧洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″为主，据研究机构预测在几年内将以6″晶片为主，会超过50%以上。由于外延技术的不断发展，晶片尺寸不断扩大，加上工艺技术的进一步改进，外延片的成本会大幅度下降。

中国LED外延及芯片企业约50多家，其中已投产的约36家，正在筹建的有20多家。2012年底已有MOCVD设备约980台，其中大部分以2″为主，2012年芯片的产量超过1000亿只(含小芯片和四元系芯片)，产值达60亿元(另有报道为80亿元)。另外中国有16家企业正在研发制造MOCVD设备，其中有8家已做出样机，并在上游企业试用，预计2013年应该有国产MOCVD设备正式投产。由于国内LED上游企业过多，大部分企业规模偏小，缺乏研发能力和竞争力，走向整合、兼并是必然的。

3.LED主要技术指标

发光效率作为LED标志性技术指标，近两年来有极大提升，日亚、飞利浦等几个大企业实验室水平均超过240lm/W，Cree公司2013年2月宣布实验室光效达276lm/W，丰田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片实现光通量400lm(在较大电流下)，首尔半导体宣布光通量达500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA电流下)。全球LED产业化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED产品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED产品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED产品。由于LED技术迅速发展，到底LED发光效率能提升到什么程度才算最后结果呢?最近有几种提法，美国SSL计划修定中提到LED光效产业化水平达266lm/W为终极目标。三菱化学提出目标：1mm×1mm芯片发光亮度达1000lm光通量。日本田村制作提出目标：2mm×2mm芯片发光亮度达2000~3000lm光通量。上述所提的这些目标均可达到单芯片制作成LED光源。

二、LED衬底、外延及芯片技术发展趋势

近几年LED技术发展迅速，衬底、外延及芯片核心技术取得突破性进展。本章节将对这些核心技术进行具体描述，并介绍发光新材料，进一步探索LED上游技术发展趋势。

1.图形化衬底

LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS)，PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS，微米级PSS有各种形状图形，如正角形、梯形、圆形、椭圆形、半球形、三棱锥形、六棱锥形、火山口形等，图形高度一般1.1~1.6μm，圆直径2.5~3μm，周期约4μm，采用光微投影及电浆干式蚀刻技术，2″圆片的成品率为80%~93%，4″圆片为40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用纳米压印技术，图形大小约260nm，周期约460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用纳米光微影(NIL)新技术，将会降低nPSS成本，并可适用大晶圆尺寸，为此介绍二种纳米级nPSS。

(1)nPSS衬底

nPSS采用纳米压印是接触式，对纳米模板及衬底平行度要求苛刻，脱模、排气及母版污染等是影响成品率的主要因素，该技术瓶颈将尽快突破，将成为2013年的主流，nPSS优点：LED更高发光效率，均匀性更好，成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm圆孔的六角形阵列，使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

(2)纳米柱PSS

英国塞伦公司的新技术，在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术，形成表面的纳米柱。该纳米柱直径是几百纳米，在此衬底上外延生长可缓解应力85%，从而大幅度减少缺陷，在不增加成本情况下，可大幅提高发光亮度，LED光效的产业化水平可达200lm/W，并改善Droop效应，衰减减缓约30%。

小结：PSS能较大提高LED发光效率，特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率，PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。

2.同质衬底

同质衬底是以GaN作衬底，并在此衬底上生长GaN，全球相关研究机构和大企业，如日亚、Cree等均投入很大研发力量，并取得了突破性进展。生长GaN衬底有多种方法，一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法，生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题，衬底厚度约400~500μm，现可产业化。GaN衬底的优点：位错密度低(105~106个/cm2)，内量子效率可达80%以上，生长时间短约2小时，节省大量原材料，可大幅度降低成本(目前衬底较贵)，下面介绍几个主要研究成果。

(1)实现高亮度LED

丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片，其面积为1mm2，可实现400lm光通量，可以实现单芯片LED的高亮度。

(2)HVPE生长GaN衬底产业化

三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底，实现产业化可提供2″GaN衬底，厚度450μm左右，位错密度(106~107个/cm2)，三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底，并计划2015年将成本降至目前的十分之一。

(3)提高内量子效率

日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底，低缺陷密度，内量子效率达90%，在200mA下，其光效达200lm/W，2012年可提供4″GaN衬底，正在加速开发低缺陷的6″衬底。

(4)大尺寸GaN衬底

住友电工和Soitec合作开发4″和6″GaN衬底，在日本伊丹和法国Bernin建中试生产线，采用晶圆制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN衬底。

(5)LiGaO2衬底

华南理工大学研发在LiGaO2衬底上采用激光分子束外延(低温工艺)生长非极性GaN衬底，厚度2μm，作为复合衬底生长GaN芯片，要求达到位错密度为1×106/cm2，内量子效率85%，在35A/cm2下，光电转换效率为65%，发光效率为150lm/W。

(6)获奖产品

美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯，被SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完整性提高1000多倍，能通过更大电流，使每盏灯使用一个LED器件成为可能。

小结：采用GaN-on-GaN同质衬底生长LED，其缺陷密度达(105~106/cm2)，可极大提升LED发光效率，而且加大电流密度时droop效应不明显，使普通照明实现采用单芯片LED光源，将LED核心技术推向新台阶。用中村修二的话来小结：我们相信有了GaN-on-GaN LED，我们已经真正地谱写了LED技术新篇章，即LED2.0版。

3.非极性、半极性衬底

蓝宝石(Al2O3)晶面有极性C面、半极性M面、R面和非极性A面，现普遍采用C面衬底，容易生长。由于晶格失配产生应力，引起内部极化场束缚载流子，以致内量子效率低。采用非极性或半极性衬底，生长难，可大幅度降低缺陷密度。采用非极性衬底生长LED，可作显示屏、电视、手机等背光源，没有取向性，不要外置扩散片。另外还可用于生长绿光LED、激光器和基于GaN的太阳能电池，以下介绍几项主要研究成果。

(1)非极性、半极性蓝宝石衬底

英国塞伦光电采用非极性蓝宝石上生长LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光转换效率可提高7倍，而且该结构在不同电流下不会发生波长漂移，大幅度提高亮度而有效改善流明/美元值。

(2)“npola”LED

首尔半导体采用非极性GaN衬底生长LED称为“npola”LED，在1mm2芯片上实现500lm的光通量(在较大电流下)，首尔半导体CEO李贞勋说：同一表面的亮度大幅改善5倍，未来可提高10倍以上，是LED光源的终极目标。

(3)非极性GaN衬底

三菱化学采用非极性GaN衬底生长蓝光LED，抑制晶格缺陷，其缺陷密度最少仅为1×104/cm2，并在大电流下光输出功率不易下降。计划目标，在1mm2芯片发光亮度可达1000lm光通量。

(4)非极性、半极性GaN衬底产业化

住友公司宣布已开发半极性、非极性GaN衬底材料，并掌握批量生产技术，可提供制作白光LED的半极性、非极性衬底。

(5)紫外LED采用非极性衬底

首尔半导体采用非极性GaN衬底开发紫外LED并与R、G、B荧光粉组合可实现高显色指数的白光照明和色彩表现范围大的背光源，计划利用非极性GaN衬底来实现高发光效率的紫外LED。

小结：采用半极性、非极性蓝宝石和GaN衬底生长LED的核心技术，已取得突破性进展，有可能在1mm2芯片上实现1000lm光通量，采用单芯片作为一盏LED灯的光源成为可能，同时会极大地提升性价比，改善美元/流明值。

4.芯片新结构