【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 N外延層,商業(yè)化生產(chǎn)采用的是兩步生長(zhǎng)工藝法。首先低溫生長(zhǎng)一層很薄的GaN和AIN作為緩沖層,再將溫度調(diào)整到較高值生長(zhǎng)GaN外延層。為了滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,昭和集團(tuán)(SDK)把MOCVD工藝和等離子輔助物理沉積(PPD)工藝相結(jié)合形成一種新工藝“混合PPD工藝”。和傳統(tǒng)的MOCVD工藝相比,生產(chǎn)效率更高,且形成的單晶GaN層的結(jié)晶品質(zhì)有明顯改善。利用這種新工藝,可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)4英寸(100mm)外延片。 當(dāng)前大部分LED是在2英寸(50mm)藍(lán)寶石襯底上制造的。但大部分歐美與韓國(guó)廠商已使用4英寸(100mm)MOCVD設(shè)備。市場(chǎng)預(yù)期一旦4英寸(100mm)外延片材料成本大幅崩落,2英寸 (50mm)的MOCVD設(shè)備將逐漸被4英寸 (100mm)所取代。6英寸(150mm)的MOCVD設(shè)備最近也開(kāi)始進(jìn)入LED芯片的制造用途。Aixtron與SemiLEDs在2009年合作開(kāi)發(fā)出6英寸 (150mm)藍(lán)光LED芯片,產(chǎn)出增加約30%[1]。不過(guò)現(xiàn)在的問(wèn)題仍是6英寸(150mm)的晶圓價(jià)格偏高,必須降到每片約300美元時(shí)才有吸引力。SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石。SiC襯底具有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見(jiàn)光等特點(diǎn)。目前國(guó)際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國(guó)Cree公司。Cree表示在2009年已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)4英寸 (100mm)的晶圓。但是不足方面也很突出,制造成本較高,晶體質(zhì)量不如藍(lán)寶石和Si,機(jī)械加工性能比較差。其他如Si,GaN,AlN,ZnO,LiAlO2等襯底材料雖然各有其特點(diǎn),但因受工藝技術(shù)水平的限制,目前還未能進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。但是實(shí)驗(yàn)室的研究卻如火如荼,比如英國(guó)的RFMD公司已經(jīng)在6英寸 (150mm)Si片上生產(chǎn)出GaN外延[2],隨著市場(chǎng)對(duì)LED需求的日益增長(zhǎng)、工藝水平的提高,將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)這些襯底材料市場(chǎng)發(fā)展。芯片制備技術(shù)大功率LED芯片制備技術(shù)主要目的是提高出光效率,進(jìn)而提高外量子效率。近年來(lái)一些新的技術(shù)手段已被用來(lái)提高外量子光效益,下面簡(jiǎn)單介紹幾種。 (1)表面粗化技術(shù):通過(guò)化學(xué)腐蝕等方法使外延表面形成某種光學(xué)微結(jié)構(gòu),來(lái)減少全內(nèi)反射的光,從而提高出光效率,出光效率可提高65%,同時(shí)解決了漏電參數(shù)不穩(wěn)定,重復(fù)性差的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。(2)倒裝芯片技術(shù):將藍(lán)寶石一面作為出光面,較好地解決了電極擋光和藍(lán)寶石不良散熱問(wèn)題,提高了散熱效率,根據(jù)Lumileds公司的結(jié)果,出光效率約增加1困6倍。早期倒裝在Si襯底上, 2007年開(kāi)始已倒裝在陶瓷襯底上,進(jìn)一步提高了出光效率。目前倒裝技術(shù)成為大功率LED芯片技術(shù)的主流之一.(3)氧化銦錫(ITO)透明電極:傳統(tǒng)的NiAu合金電極對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率僅為60%~70%,而ITO的透過(guò)率可達(dá)90%以上,因此利用ITO透明電極的高可見(jiàn)光透過(guò)率和低電阻是提高LED出光效率的有效途徑之一。(4)分布布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu):布拉格反射層是兩種折射率不同的材料周期交替生長(zhǎng)的層狀結(jié)構(gòu),它在有源層和襯底之間,能夠?qū)⑸湎蛞r底的光利用布拉格反射原理反射回上表面,極大地減小了光從襯底出射,從而增加光的外量子效率。此結(jié)構(gòu)可以直接利用MOCVD設(shè)備進(jìn)行生長(zhǎng),有很好的成本優(yōu)勢(shì),目前已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。(5)光子晶體:通過(guò)晶格構(gòu)造的設(shè)計(jì)來(lái)人為控制光的傳播,人工控制材料的折射率及其透射和反射特性,提高LED的出光效率。在光子晶體的加工工藝上,激光全息光刻和納米壓印技術(shù)適用于大面積制作,且生產(chǎn)效率高、成本低、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。電子束光刻和干法刻蝕相對(duì)較成熟,但有刻蝕速率、制作效率等方面的局限,適于實(shí)驗(yàn)室研究。Lumileds制作的光子晶體LED,出光效率高達(dá)73%,最高亮度是一般LED的2倍[3]。(6)圖形化襯底PSS技術(shù):通過(guò)在藍(lán)寶石襯底表面制作細(xì)微結(jié)構(gòu)圖形,能有效降低體內(nèi)的位錯(cuò)密度,從而提高器件的內(nèi)量子效率。而且圖形化襯底能使原本在臨界角范圍外的光線通過(guò)圖形的反射重新進(jìn)入到臨界角內(nèi)出射,從而提高了出光效率。PSS襯底技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、顯著改善器件性能,成為現(xiàn)階段大功率LED器件的首選襯底技術(shù)。(7)薄膜技術(shù):薄膜技術(shù)可以將金屬層集成在LED內(nèi)。這種”鏡子”能將芯片內(nèi)產(chǎn)生的光反射到LED頂部,并使光線從頂部射出,避免了光線或能量的損失,因而可大大提高LED的出光效率。薄膜結(jié)構(gòu)芯片在發(fā)光效率、散熱性和可集成性等方面有著傳統(tǒng)芯片所不能比擬的優(yōu)越性。從功率LED芯片技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,薄膜結(jié)構(gòu)芯片將會(huì)是未來(lái)照明級(jí)LED芯片技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。此外還有襯底激光剝離技術(shù)(LLO)、三維垂直結(jié)構(gòu)芯片、交流芯片等新結(jié)構(gòu)和新技術(shù),它們都給芯片帶來(lái)了技術(shù)創(chuàng)新,這里就不再一一贅述了。國(guó)際上主流的照明級(jí)LED芯片及器件制造商有著各自獨(dú)特的外延和芯片技術(shù)路線。表2簡(jiǎn)要地介紹了幾家主流公司的工藝技術(shù)路線。表2國(guó)際大廠照明級(jí)功率型LED芯片技術(shù)特點(diǎn)廠商N(yùn)ichiaCreeLumiledsOsramSemileds產(chǎn)品特點(diǎn)正裝PSS ITOSiC襯底垂直結(jié)構(gòu)薄膜芯片TFFC、透明熒光陶瓷片垂直薄膜技術(shù)正裝 垂直結(jié)構(gòu) 襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)封裝技術(shù)封裝技術(shù)對(duì)LED性能起著至關(guān)重要的作用。LED的封裝形式主要有支架式LED、SMD貼片式LED及功率型LED三大類。支架式LED的設(shè)計(jì)已相對(duì)成熟,一般封裝小功率LED器件。目前主要在衰減壽命、光學(xué)匹配、失效率等方面可進(jìn)一步提高。SMD貼片式LED具有體積小、發(fā)射角大、發(fā)光均勻性好、可靠性高等特點(diǎn)。常用于小功率和中功率LED器件。尤其是頂部發(fā)光TOP型SMD最受關(guān)注。SMDTOP型主要用于背光源和部分照明,市場(chǎng)需求量增長(zhǎng)很快。功率型LED分為單顆1W和大功率LED組件。大功率白光LED封裝一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前功率LED封裝結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展趨勢(shì)是:尺寸小型化、器件熱阻最小化、平面貼片化、耐受結(jié)溫最高化、單燈光通量最大化。目標(biāo)是提高光通量、光效、減少光衰、失效率、提高一致性和可靠性。功率型LED封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求:一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率。二是熱阻要盡可能低。目前的高亮度LED,光能轉(zhuǎn)換效率還不到25%,因此封裝的熱管理技術(shù)擁有最大的改善空間,是最能夠降低成本的地方。人們開(kāi)發(fā)了許多改善熱特性的低熱阻封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù),如采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu),選用導(dǎo)熱性能好的銀膠和錫片焊,選用合適的基板材料及采用共晶焊接技術(shù)等方法,另外還有用于LED組件的散熱技術(shù)如熱管技術(shù)、采用均熱板、將芯片封裝在金屬夾芯的PCB板上的結(jié)構(gòu)等。為提高取光效率,需要設(shè)計(jì)外加的反光杯與多重光學(xué)透鏡等方式進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。由于大功率LED隨著功率的增加,組件的溫度也會(huì)升高,傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂因無(wú)法承受這一高溫而產(chǎn)生黃化。硅膠和硅樹(shù)脂材料由于抗熱和抗紫外線能力更強(qiáng),不會(huì)產(chǎn)生感光層變黃和分層問(wèn)題,并且具有良好的機(jī)械特性,透光率高,在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)用。目前的產(chǎn)品折射率已達(dá)到1192。57。LED的當(dāng)前水平及發(fā)展趨勢(shì)(1)發(fā)光效率不斷提高從LED技術(shù)發(fā)展來(lái)看,歐美及日系廠商仍是重要競(jìng)爭(zhēng)者。就技術(shù)水平而論,目前以美國(guó)Cree公司最為領(lǐng)先。2010年Cree公司的白光LED的實(shí)驗(yàn)室光效已提高到208lm/W,這是目前的最高水平[4]。Cree公司于2009年第三季度開(kāi)始量產(chǎn)目前業(yè)界最高水平(光通量達(dá)139lm、發(fā)光效率為132lm/W)的產(chǎn)品。預(yù)期一年內(nèi)將開(kāi)始量產(chǎn)161lm/W的高效能LED。2010年初Cree推出突破性照明級(jí)LED,亮度高達(dá)1500lm,光效75lm/W,采用了突破性的緊湊型12mm192。13mm封裝設(shè)計(jì),是業(yè)內(nèi)最小封裝。大小只有與其相當(dāng)?shù)腖ED器件的28%。這是已經(jīng)商業(yè)量產(chǎn)的產(chǎn)品[5]。Cree稱2010年將繼續(xù)聚焦于照明和顯示屏兩大領(lǐng)域,每周將供應(yīng)數(shù)百萬(wàn)顆100lm/W以上的LED器件。歐司朗、Lumileds、日亞公司的白光LED光效都已經(jīng)突破140lm/W,商業(yè)量產(chǎn)產(chǎn)品也都在100lm/W以上。LED的光效已是白熾燈的5倍以上。首爾半導(dǎo)體的主打產(chǎn)品Acriche是世界上唯一可以在交流電源下無(wú)需直流交流轉(zhuǎn)換器就能驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體光源,比直流LED更加節(jié)能和更具成本效益。2010年2月份實(shí)現(xiàn)了發(fā)光效率達(dá)100lm/W、使用壽命超過(guò)35000h的AcricheLED,4月已開(kāi)始投入量產(chǎn),同時(shí)發(fā)光效率超過(guò)150lm/W的LED也已研制成功。將在今年年底之前投入量產(chǎn)[6]。(2)成本不斷下降成本高是LED推廣應(yīng)用的障礙。產(chǎn)生1000lm的光通量,白熾燈的成本小于1美元,熒光燈的成本小于2美元。而LED光源產(chǎn)生1000lm的光能量,使用十顆大功率LED的成本超過(guò)了20美元。LED的成本問(wèn)題是與LED技術(shù)層面瓶頸的解決緊密相連的。圖1為DOE對(duì)白光LED成本的預(yù)測(cè)。預(yù)計(jì)到2015年白光LED的成本將可與熒光燈相當(dāng)[7]。2009年7月前,LED電燈的市場(chǎng)價(jià)格每個(gè)不到1萬(wàn)日元(約748元)。但是隨著夏普推出了售價(jià)4000日元(約300元)的LED電燈后,東芝照明、歐司朗等大型照明廠商都隨之推出了4000日元價(jià)位的LED電燈。這一現(xiàn)象被稱為夏普沖擊。2009年12月日本OrionElectric與Doshisha共同開(kāi)發(fā)并圖1對(duì)白光技術(shù)和成本的預(yù)測(cè)上市的192。Luminous192。系列,功耗為6192。6W、總光通量為420lm、相當(dāng)于60W白熾燈的產(chǎn)品售價(jià)2480日元。功耗為4192。7W、總光通量為310lm、相當(dāng)于40W白熾燈的產(chǎn)品售價(jià)僅1980日元,大幅實(shí)現(xiàn)了低價(jià)格化,其技術(shù)關(guān)鍵是配備了大量的小型LED封裝[8]。綜上所述技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)為:(1)高功效技術(shù)的研發(fā)水平加快,LED器件水平已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了2008年美國(guó)能源局與日本JLEDS的預(yù)測(cè)。(2)成本急劇下降。技術(shù)創(chuàng)新步伐明顯加快,推動(dòng)LED照明實(shí)用化進(jìn)程。LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)產(chǎn)業(yè)概況最近兩年LED市場(chǎng)呈現(xiàn)出井噴式增長(zhǎng)的勢(shì)頭。2009年底LED市場(chǎng)新增7條LED生產(chǎn)線,2010年和2011年光/LED生產(chǎn)線新增數(shù)量分別為5條和6條以上。這些新增計(jì)劃主要集中在中國(guó)大陸和臺(tái)灣地區(qū),還有一些在日本、印度和俄羅斯。SEMI對(duì)全球范圍內(nèi)的91條LED生產(chǎn)線和89條與光電器件相關(guān)的生產(chǎn)線進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果顯示,日本擁有的光電/LED生產(chǎn)線最多。擁有LED生產(chǎn)線的地區(qū)集中在中國(guó)臺(tái)灣(占40%)、日本 (占23%)和中國(guó)(占22%)[9]。根據(jù)LEDinside統(tǒng)計(jì),2009年全球LED封裝廠的產(chǎn)值總合達(dá)到80192。5億美元,相較2008年增長(zhǎng)5%。日本的產(chǎn)值仍以33%居冠,中國(guó)臺(tái)灣廠商以17%排名第二。而韓國(guó)則由2008年的9%竄升到2009年的15%,位居全球第三[10]。日本LED產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),除具有完整產(chǎn)業(yè)鏈外,在關(guān)鍵材料的供給上,如外延、熒光粉、封裝材料等也都握有重要技術(shù)并為其他國(guó)家所望其項(xiàng)背。日本LED產(chǎn)業(yè)多聚集在高附加值產(chǎn)品上,例如筆記本電腦的LED背光源使用的側(cè)發(fā)光LED晶片,對(duì)亮度、均勻性、穩(wěn)定性等都有較高要求,再加上本身專利保護(hù),能使產(chǎn)品維持在較高的單價(jià)。韓國(guó)LED產(chǎn)業(yè)在上游襯底及熒光粉兩項(xiàng)關(guān)鍵材料方面基礎(chǔ)較弱,擅長(zhǎng)于外延和封裝制造。韓國(guó)在大尺寸背光領(lǐng)域發(fā)展較快,擁有全球最大的面板產(chǎn)能與品牌出?？?。主要企業(yè)有三星、LG和首爾半導(dǎo)體等。前兩者之產(chǎn)能多僅供集團(tuán)內(nèi)使用,較具外銷規(guī)模者僅首爾半導(dǎo)體。相較于亞洲廠商多注重在量產(chǎn)規(guī)模,歐美系LED廠商則在多方面布局,例如技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)或垂直整合等方面。歐美系LED廠商的量產(chǎn)規(guī)模不比日本、中國(guó)臺(tái)灣,卻掌握部分LED的關(guān)鍵技術(shù),在眾多LED專利上都有完整的布局。尤其是幾大國(guó)際廠商?Osram,Philips以及Cree等不但擁有完整的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈,在LED照明產(chǎn)業(yè),更是全球前五之內(nèi)。表3是2009年全球高亮度LED封裝廠產(chǎn)值排名排名廠商2008年2009年年度變化1日亞135921910%2歐司朗80572410%3Cree49561624%4三星LED188516175%5Lumileds4264201%6首爾半導(dǎo)體25739252%7Stanely30034615%8億光3513422%9豐田合成21432250%10Liteon33630310%全球LED最大生產(chǎn)商日本的日亞公司近幾年一直是LED封裝產(chǎn)值冠軍,如表4所示,2009年仍居全球第1名。它有完整的LED產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)量的70%為白光LED。同時(shí),它還是以熒光粉為主要產(chǎn)品的規(guī)模最大的精細(xì)化廠商。它的熒光粉生產(chǎn)在全球占36%的市場(chǎng)份額。日亞公司新增的LED 生產(chǎn)線2012年初將投入使用,屆時(shí)日亞的LED產(chǎn)量將增加3倍。 引人注目的是三星LED,從2008年的10名以外升到2009年的第4名,成為全球成長(zhǎng)最迅速的LED廠商。這主要得益于大尺寸背光源市場(chǎng)。基于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)LED背光模塊強(qiáng)勁需求,公司計(jì)劃增加50臺(tái)MOCVD設(shè)備,預(yù)計(jì)至2010年底公司的MOCVD設(shè)備總量會(huì)達(dá)到150臺(tái)[9]。產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)與趨勢(shì) (1)全球產(chǎn)業(yè)格局呈壟斷局面,企業(yè)集中度高,高端產(chǎn)品市場(chǎng)被少數(shù)國(guó)際公司占據(jù),LED產(chǎn)業(yè)已形成以美國(guó)、亞洲和歐洲三大區(qū)域?yàn)橹鲗?dǎo)的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競(jìng)爭(zhēng)格局。 (2)國(guó)際知名廠商間合作步伐加快,以占據(jù)有利市場(chǎng)地位。隨著LED產(chǎn)業(yè)分工與競(jìng)爭(zhēng)的加劇,國(guó)際大廠間的參股投資、代加工、代理銷售、專利交互授權(quán)、策略聯(lián)盟等合作步伐正日益加快。如日本住友電工成為美國(guó)Cree在日本的銷售總代理、Cree和Osram簽署長(zhǎng)期供貨協(xié)議,Nichia引進(jìn)中國(guó)臺(tái)灣OptpTech的投資等,國(guó)際廠商的合作步伐正在加快,形成互惠互利的聯(lián)盟,共同占據(jù)有利市場(chǎng)地位。 (3)新興市場(chǎng)不斷形成,持續(xù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長(zhǎng)。隨著LED發(fā)光效率與性能的提升與改善,LED已從指示燈、手機(jī)