LED衬底、外延及芯片的技术发展及其趋势

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。