LED衬底、外延及芯片的技术发展及其趋势

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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。