塞伦光电张彤：提高LED技术才能在行业动荡中“稳中求进”

2013年是LED发展爆发的元年，也是LED行业的是非年，产能过剩、核心技术缺失低价竞争、盈利下降、价格混乱、倒闭潮、跑路门……在如此动荡的时局下，企业面临着激烈的市场竞争。而在这激烈的竞争中，企业更多的把目光放在寻求市场、价格战中而忽视了技术的重要性。

虽然经过近10年的发展，LED技术已经取得了长足进步，产品已具有一定的性价比优势，但上游技术环节与国际水平相比仍有很大差距，仍然扮演者追逐者的角色。企业应该重视LED技术发展，加强技术研发，追求技术创新，才能以高品质高附加值的产品赢得市场，在行业动荡局势中“稳中求进”。产业的进步离不开技术的创新，而企业则必须是技术创新的主体，这已是任何行业发展的都必须面对的共同命题。

中睿照明网采访了英国塞伦光电副总裁张彤博士，了解了塞伦光电的技术发展，同时探讨了目前LED技术发展趋势，专利保护 ，LED企业如何获得长远发展等问题。

英国塞伦光电副总裁　张彤博士

　　中睿照明网：塞伦光电是以技术开发为主业的公司，那么贵公司的核心技术都有哪些?

　　张彤：塞伦光电工艺结合纳米技术和材料物理的基础研究将电光转化效率大幅提高。该技术为蓝、绿、白LED照明工艺提供了一种崭新的理念。它既能带来较之当下产品更亮，更优质的基于氮化镓的高亮LED材料，又符合低成本大规模生产的的要求。塞伦光电技术通过对LED材料自身的物理性能的改进而从根本上显著提高电光转化效率，这意味着我们在成本基本不变的情况下可以获得更亮的LED，或者将LED灯的功率消耗大幅缩减。同时高转化效率使得对散热的要求大为降低。这对LED在诸如通用照明系统等应用市场提供了一个更加经济实用的解决方案。通过分析自2000年以来LED产品的市场和技术走势，我们相信塞伦光电的工艺技术可以至少带给制造商约2-4年的技术优势。

下面稍加详细介绍一下我们目前主推的两项核心技术。这两项技术主要是针对蓝宝石衬底LED材料，但也可应用于基于硅、碳化硅等其它衬底的LED。其产业化将使我们不再需要像图形衬底或者光子晶体这样相对成本高、操作复杂的手段即可实现光效大幅提升。

第一项技术称作精细纳米柱法，它在对现有LED生产技术基本不增加成本的前提下以刻蚀技术获得具有一定表观特征要求的精细纳米柱结构，实现近85%的应力释放以大幅降低由于C平面蓝宝石衬底引起的自发反向压电电场，从而减小能耗和大幅提高材料发光效率。该技术在整体结构性和周期性方面没有要求，因此成本低，易操作。根据我们使用国内某大型外延片/芯片制造商所提供样品进行的对比测试，该技术对LED外延片电光转换的提升达到80%以上，封装后积分球内测试的光效提升大于30%;除此之外，我们的测试还表明该技术能够使得Droop效应大幅改善，因此非常适合大功率应用。

我们的第二项技术是非极化或半极化蓝宝石/氮化镓复合衬底生长法(以下简称“非/半极化复合衬底生技术”)。在高亮LED迅猛发展的过去20年里，基于极化的C平面蓝宝石的氮化镓材料经过全球科研人员和工程师的努力，其生长法已为广泛掌握。但同时其自发反向压电电场的极化特性又难以避免的削弱其物理和光学性能。这一点是许多器件性能问题的主要原因，比如内部量子效率的减小，阱厚度的限制，高的正向电压，载流子的溢出等等，从而严重削弱了材料的电光转换效率，从根本上限制了发光效率提升。我们可以通过前述的精细纳米柱法等手段在一定范围内减小其影响，而采用非极化或半极化材料则通过消除或大幅削弱自发压电极化而更加显著地提高发光效率。另外，由于自发压电极化很小甚至完全消除，我们可以有很大空间通过提高材料中的铟的配比实现高亮绿光LED而不用担心自发压电电场的影响，从而通过RGB法实现获得比荧光粉法更高品质的白光LED。从这两点来讲，非极化或半极化材料将引领新一代LED材料。

目前半极化氮化镓衬底主要通过锯切通过HVPE生长的氮化镓晶柱或氨热技术获得，它只能在小尺寸下实现，无法满足大尺寸、工业标准化的量产需求，因此导致生产成本过高而无法商业化。而欧美韩日的一些先进LED厂商和研究单位(如“蓝光之父”中村修二等)都一直在寻求高品质、中低成本的方法，但是成效有限。塞伦光电所拥有的世界独一无二的生长方法克服了上述问题，采用低成本的非/半极化复合衬底法，在2英寸或更大尺寸的蓝宝石衬底上不需要缓冲层而直接生长约3-5微米厚的氮化镓模板以构成高品质复合衬底，其缺陷密度和电光转化效率都明显优于全球市场上任何类似产品。

　　中睿照明网：您刚才提到公司的核心技术中“非/半极化复合衬底生技术“是一项怎样的技术?与图形蓝宝石衬底(PSS)技术有什么不同?具有怎样的优势和市场竞争力?

　　张彤：LED行业最高端的技术竞争集中体现在外延片制造工艺水平的差异上，LED外延片的工艺和材料的质量从根本上决定着终端应用(如灯具等)的品质和利润率。目前市场上基于氮化镓的高亮LED材料(蓝、绿、白光)大多数是生长在C平面蓝宝石衬底上。但是氮化镓与蓝宝石之间超过16%的结构不匹配导致严重的材料缺陷和自发压电极化特性而引起的内耗损失，这直接阻碍了电能到光能的转换效率以及光输出。同时这个问题还导致芯片散热要求高而影响使用寿命。

目前国内80%左右的LED外延片厂商不同程度采用所谓图形化衬底替代普通(无图形)衬底试图缓解此问题。这样处理的结果使得封装后的LED芯片发光效率约有10-15% 左右的提升，而所付出的代价是高达达50%的衬底材料成本的增加!

相比之下，我们精细纳米柱法如图形化衬底法一样也属于表面或亚表面粗化的一种，但在成本和操作难度上都远低于图形衬底法，却带来更加显著的光效提升。而非/半极化复合衬底法更是完全或基本上消除了反向压电电场的影响，因此拥有更大的光效提升空间。

　　中睿照明网：据了解，目前半导体照明的衬底材料包括蓝宝石、SiC、Si、GaN等，产业化的主流衬底是蓝宝石和SiC。您认为未来衬底材料的技术发展方向是什么?您对GaN-on-GaN LED的技术路线怎么看?

　　张彤：首先讲一下氮化镓衬底，他所能提供的同质生长能够带来的好处是不言而喻的，比如同质生长的非极化氮化镓的缺陷密度比我们复合衬底法生长的材料(~ 108 厘米-2)低两个数量级。但是考虑到其高昂的价格使得其性价比较差，因此氮化镓衬底的未来可能将局限于激光、军工的对价格不那么敏感的应用领域。

碳化硅衬底的使用则受到价格和专利技术的双重因素制约。其相关技术基本上还是掌握在科瑞一家手里。其他竞争者这几年拼下来发现还是远非科瑞的对手，这使得相关基于碳化硅衬底的LED研究变得曲高和寡。相比之下基于蓝宝石衬底的LED研究则一直保持不错的势头，这使得前者在发光效率方面的优势将越来越不明显。相信再有一两年的时间会有越来越多的人看到非/半极化复合衬底具有应用广、性能好、价格低等众多优点，而且不会有一家独大的问题。所以我的个人观点是除非碳化硅技术迅速普及化否则在不远将来将很难与非/半极化复合衬底技术所带来的新一波高高性价比的产品应用相抗衡。

最后讲一下硅衬底，其实它在过去几十年的成功实在非常诱人，而且硅衬底LED在国内是非常受重视的，只不过我还是忍不住想泼些冷水。首先硅衬底在与氮化镓晶格和热应力方面不匹配的硬伤而且尚未看到在光效和曲度方面有较好的解决途径使其达到或优于蓝宝石衬底LED的水平。其次，硅衬底上的LED必须和成型的CMOS技术匹配(否则使用硅衬底的意义将大为缩水)，但是实现这一点还需要很多工作。第三是尺寸和价格因素，这里我们不妨看一下一个LED灯具的成本构成：其中LED材料占总成本的45%，而衬底又占LED材料成本的11%，因此衬底部分对总成本的影响只有5%不到。而现在蓝宝石衬底在国外已经比较广泛的使用4英寸材料，有些厂商已经开始向6英寸产能迈进，因此我认为使用硅衬底的话尺寸至少达到8英寸或更大，否则很难与蓝宝石衬底抗衡。第四点是总良率。我所了解硅衬底LED的良品率还远不及蓝宝石衬底。综上所述，目前来看我会更加看好蓝宝石作为LED基材的未来。

　　中睿照明网：作为技术开发的公司，专利的保护非常重要，那么贵公司在专利保护方面有没有采取什么措施?