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深度对比半导体照明三条主要技术路线

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放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-22  稿源:广东LED  编辑:Tony
核心提示:衬底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间是否匹配,这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。

在LED的制备过程中,上游的衬底材料是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。衬底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间是否匹配,这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。因此,衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石,衬底材料的技术路线必然会影响整个产业的技术路线,是整个产业链的关键。


目前半导体照明主要有三条技术路线,分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线、以美国CREE为代表的碳化硅衬底LED技术路线,以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。2016年1月8日,南昌大学联合晶能光电的江风益团队“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”技术项目获得2015年度国家科学技术奖技术发明类唯一的一等奖,LED业界中国芯的梦想再次被激发。硅衬底技术项目的获奖,说明硅衬底已被国家证实可行,并已提升到国家战略层面。硅衬底或将迎来规模化的商业应用。

表1  GaN基LED三种主要衬底材料对比

图1  LED各种衬底材料的市场占有率(数据来源:YOLE,中信建投证劵研究发展部)


蓝宝石(Al2O3)衬底


2014 年10 月7 日瑞典皇家科学院宣布:赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014 年诺贝尔物理学奖。这3 位科学家的突出贡献在于,1993年他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN 基蓝光LED 的核心技术。20多年来,基于蓝宝石衬底的GaN 基蓝光LED技术和产业发展迅猛,占据了衬底市场90%以上的市场份额,成为目前市场上的主流技术路线。


蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性,强度高、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料,蓝宝石具有高温下(2000℃)化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。

表2  蓝宝石衬底材料性能

蓝宝石衬底也有缺点,比如:第一,晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;第二,蓝宝石是绝缘体,电阻率很大,无法制成垂直结构的器件;第三,通常只在外延层上表面制作N型和P型电极,造成了有效发光面积减少,材料利用率降低;第四,蓝宝石的硬度非常高,仅次于金刚石,难以对它进行薄化和切割;第五,蓝宝石导热性能不是很好,因此在使用LED器件时,会传导出大量的热量,对面积较大的大功率器件,导热性能是一个非常重要的考虑因素。


目前蓝宝石衬底的技术发展比较成熟,不足方面虽然很多,但都被逐个克服,例如:过渡层生长技术克服了较大的晶格失配问题;采用同侧 P、N 电极克服了导电性能差的问题;不易切割的问题可以通过雷射划片机解决;由于热失配导致的对外延层的压力问题也可以得到解决。不过,江风益认为,蓝宝石衬底很难做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延,且因蓝宝石散热性能差,又难以剥离衬底,故在大功率LED 方面具有性能局限性。


蓝宝石衬底技术以日亚化学、丰田合成为代表。在蓝宝石晶体和晶片制备方面,国外主要集中在日本、美国、俄罗斯等国家,2010 年俄罗斯首次展出了200 mm 蓝宝石晶片。我国相对于国外存在较大差距,代表企业有元亮科技、同人电子、协鑫光电、重庆四联光电、中镓半导体、奥瑞德等。在外延方面,国内除了清华大学、北京大学、南昌大学、中科院半导体所等研究单位外,三安光电、华灿光电、上海北大蓝光、南昌欣磊光电、江西联创光电等企业在进行外延片的生产与研究。


蓝宝石材料目前生产能力过剩,低端市场竞争激烈。为延长LED产业链,应当高起点大力推进蓝宝石图形衬底发展。重点发展纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)、半球形和锥形图形衬底,以及激光诱导湿法刻蚀(LIBWE)、干法刻蚀等技术。同时,推动蓝宝石图形衬底相关的光刻和刻蚀以及相关检测设备、材料等发展。


碳化硅(SiC)衬底


SiC具有优良的热学、力学、化学和电学性质,不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一,而且可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料,打破了蓝宝石一统天下的局面,尤其在路灯和室外照明领域具有巨大的市场潜力。在半导体领域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 两种。

表3  SiC 衬底材料性能



碳化硅与蓝宝石相比,在结构上,蓝宝石不是半导体而是绝缘体,它只能做单面电极;碳化硅是导电的半导体,它可以做垂直结构。碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高10倍以上;蓝宝石本身是热的不良导体,并且在制造器件时底部需要使用银胶固晶,银胶的传热性能也很差。而使用碳化硅衬底的芯片电极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,这样又提高了出光效率。


在碳化硅衬底领域,美国Cree几乎垄断了优质碳化硅衬底的全球供应,其次是德国SiCrystal、日本新日铁、昭和电工、东纤-道康宁。我国企业实力较弱,国内能生产和加工碳化硅衬底的企业或机构有北京天科合达、山东天岳、山东大学、中科院物理所、中科院上海硅酸盐所、中国电子科技集团46所等。2015年7月,山东天岳自主研制的一款4英寸高纯半绝缘碳化硅衬底产品面世。


用碳化硅做光电器件衬底主要挑战是成本仍相对较高、技术门槛较高和专利技术不足,面临着行业垄断者的专利威胁。不过LED市场有高中低端之分,碳化硅衬底LED定位在高端。大功率LED市场需求巨大,碳化硅材料性能优越,具有功率大、能耗低、发光效率高等显著优势,可以很好满足大功率LED需求。


硅(Si)衬底


硅片作为GaN 材料的衬底有许多优点,如晶体品质高,尺寸大,成本低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。

表4  Si衬底材料性能

由于单晶硅材料生长技术成熟度高,容易获得低成本、大尺寸(6-12 英寸)、高质量的衬底,可以大大降低LED 的造价。并且,由于硅单晶已经大规模应用于微电子领域,使用单晶硅衬底有望实现LED 芯片与集成电路的直接集成,有利于LED 器件的小型化发展。因此使用单晶硅作为LED 衬底一直是本行业梦寐以求的事情。此外,与蓝宝石相比,单晶硅在性能上还有一些优势:热导率高、导电性好,可制备垂直结构,更适合大功率LED 制备。


然而与蓝宝石和SiC 相比,在Si 衬底上生长GaN 更为困难,主要体现在:(1)两者之间的热失配和晶格失配更大;(2)Si 与GaN 的热膨胀系数差别也将导致GaN 膜出现龟裂;(3)晶格常数差会在GaN 外延层中造成高的位错密度;(4)Si 衬底LED 还可能因为Si 与GaN 之间有0.5 V 的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p 型掺杂效率低,导致串联电阻增大;(5)Si 吸收可见光会降低LED 的外量子效率。


从1999年第一个GaN/Si LED出现,到2002 年商品化GaN/Si LED 就已经问世,但是由于性能与蓝宝石及碳化硅制备的LED相差很大而没有被广泛应用。2010 年德国Azzurro 公司授权GaN-on-Si 技术予德国Osram 公司。2013 年4 月日本东芝公司收购美国普瑞光电(Bridgelux) 的技术,并开始8 英寸GaN-on-Si 外延片生产。国内江西晶能光电公司早在2012 年就宣布批量生产HB-LED 芯片;江西晶瑞光电也已推出了类似性能的LED 产品。


晶能光电的硅衬底技术,具有完全自主的知识产权,形成了蓝宝石、碳化硅、硅衬底半导体照明技术路线三足鼎立的局面。中国LED产业只有打破国际巨头的技术、专利垄断,掌握核心技术,才能真正实现由“跟随”到“跨越”的转变。


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