深度對比半導體照明三條主要技術路線

文章來源:恒光電器

發布時間:2016-02-22

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在LED的制備過程中，節能與環保，上游的襯底材料是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標的主要因素。襯底材料表面的粗糙度、熱膨脹系數、熱傳導系數、極性的影響、表面的加工要求以及與外延材料間晶格間是否匹配，這些因素與高亮度LED的發光效率與穩定性密切相關。因此，襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石，襯底材料的技術路線必然會影響整個產業的技術路線，是整個產業鏈的關鍵。

目前半導體照明主要有三條技術路線，分別是以日本日亞化學為代表的藍寶石襯底LED技術路線、以美國CREE為代表的碳化硅襯底LED技術路線，以及以中國晶能光電為代表的硅襯底LED技術路線。2016年1月8日，南昌大學聯合晶能光電的江風益團隊“硅襯底高光效GaN基藍色發光二極管”技術項目獲得2015年度國家科學技術獎技術發明類唯一的一等獎， led室內照明，LED業界中國芯的夢想再次被激發。硅襯底技術項目的獲獎，說明硅襯底已被國家證實可行，并已提升到國家戰略層面。硅襯底或將迎來規模化的商業應用。

表1  GaN基LED三種主要襯底材料對比

圖1  LED各種襯底材料的市場占有率（數據來源：YOLE，中信建投證劵研究發展部）

2014 年10 月7 日瑞典皇家科學院宣布：赤崎勇、天野浩和中村修二因發明“高效藍色發光二極管”獲得2014 年諾貝爾物理學獎。這3 位科學家的突出貢獻在于，1993年他們突破了在藍寶石襯底上制備高光效GaN 基藍光LED 的核心技術。20多年來，基于藍寶石襯底的GaN 基藍光LED技術和產業發展迅猛，占據了襯底市場90%以上的市場份額，成為目前市場上的主流技術路線。

藍寶石具有優異的光學性能、機械性能和化學穩定性，強度高、硬度大、耐沖刷。作為襯底材料，藍寶石具有高溫下（2000℃）化學性質穩定好、可見光不易吸收、價格便宜等優點。

表2  藍寶石襯底材料性能

藍寶石襯底也有缺點，比如：第一，晶格失配和熱應力失配會導致外延層中產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造成困難；第二，醫院led照明，藍寶石是絕緣體，電阻率很大，無法制成垂直結構的器件；第三，通常只在外延層上表面制作N型和P型電極，造成了有效發光面積減少，材料利用率降低；第四，企業資訊，藍寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，難以對它進行薄化和切割；第五，藍寶石導熱性能不是很好，因此在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量，LED-T5一體化燈管，對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。

目前藍寶石襯底的技術發展比較成熟，不足方面雖然很多，但都被逐個克服，例如：過渡層生長技術克服了較大的晶格失配問題；采用同側 P、N 電極克服了導電性能差的問題；不易切割的問題可以通過雷射劃片機解決；由于熱失配導致的對外延層的壓力問題也可以得到解決。不過，江風益認為，LED照明企業，藍寶石襯底很難做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因藍寶石散熱性能差，又難以剝離襯底，故在大功率LED 方面具有性能局限性。

藍寶石襯底技術以日亞化學、豐田合成為代表。在藍寶石晶體和晶片制備方面，國外主要集中在日本、美國、俄羅斯等國家，2010 年俄羅斯首次展出了200 mm 藍寶石晶片。我國相對于國外存在較大差距，酒店led照明，代表企業有元亮科技、同人電子、協鑫光電、重慶四聯光電、中鎵半導體、奧瑞德等。在外延方面，國內除了清華大學、北京大學、南昌大學、中科院半導體所等研究單位外，LED天花燈，三安光電、華燦光電、上海北大藍光、南昌欣磊光電、江西聯創光電等企業在進行外延片的生產與研究。

藍寶石材料目前生產能力過剩，低端市場競爭激烈。為延長LED產業鏈，應當高起點大力推進藍寶石圖形襯底發展。重點發展納米級圖形化藍寶石襯底（PSS）、半球形和錐形圖形襯底，以及激光誘導濕法刻蝕（LIBWE）、干法刻蝕等技術。同時，推動藍寶石圖形襯底相關的光刻和刻蝕以及相關檢測設備、材料等發展。

SiC具有優良的熱學、力學、化學和電學性質，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，而且可以用作基于GaN的藍色發光二極管的襯底材料，打破了藍寶石一統天下的局面，尤其在路燈和室外照明領域具有巨大的市場潛力。在半導體領域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 兩種。

表3  SiC 襯底材料性能

碳化硅與藍寶石相比，質量，在結構上，藍寶石不是半導體而是絕緣體，它只能做單面電極；碳化硅是導電的半導體，LED射燈，它可以做垂直結構。碳化硅襯底的導熱性能要比藍寶石高10倍以上；藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制造器件時底部需要使用銀膠固晶，銀膠的傳熱性能也很差。而使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，3c認證，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。

在碳化硅襯底領域，美國Cree幾乎壟斷了優質碳化硅襯底的全球供應，其次是德國SiCrystal、日本新日鐵、昭和電工、東纖-道康寧。我國企業實力較弱，國內能生產和加工碳化硅襯底的企業或機構有北京天科合達、山東天岳、山東大學、中科院物理所、中科院上海硅酸鹽所、中國電子科技集團46所等。2015年7月，山東天岳自主研制的一款4英寸高純半絕緣碳化硅襯底產品面世。