【文章內(nèi)容簡介】 MOCVD的供貨能力是限制LED芯片公司產(chǎn)能擴張的瓶頸中高端擁有較強議價能力；低端產(chǎn)能旺盛，議價能力不足弱，除非有技術(shù)含量的大功率、多芯片封裝供需寡頭壟斷，供給穩(wěn)定，需求旺盛以銷定產(chǎn)，下游需求旺盛GaN基芯片產(chǎn)能擴大較快。低檔產(chǎn)品供大于求，高檔產(chǎn)品則價高難求屬于勞動密集行業(yè)，市場供給充分目前LED行業(yè)議價能力最強的環(huán)節(jié)是MOCVD設(shè)備廠商，MOCVD已成為行業(yè)發(fā)展瓶頸。MOCVD 設(shè)備制造商主要有兩家：分別是德國AIXTRON 公司和美國VEECO 公司。著名廠商英國THOMAS SWAN 公司已被AIXTRON 收購。另一家美國公司EMCORE 則在2003 年被VEECO 收購。AIXTRON 公司（含THOMAS SWAN 公司）大約占60%的國際市場份額，累計銷售超過1200臺，而VEECO 公司占約30%。其他廠家主要包括大陽日酸（Taiyo Nippon Sanso）和日新電機（Nissin Electric）等，其市場基本限于日本國內(nèi)。此外，日亞公司和豐田合成的設(shè)備主要是自己研發(fā)，其GaNMOCVD 設(shè)備不在市場上銷售，僅供自用。 藍寶石襯底行業(yè)分析圖表16 全球藍寶石長晶廠家市場份額資料來源：XXX部調(diào)研整理圖表17 藍寶石襯底價值分布圖晶 棒晶片切 片2009年初，（2英寸）；2009年末，臺灣晶棒報價17美元/毫米；目前，臺灣晶棒報價2427美元/毫米；晶棒成本與工藝密切相關(guān)晶棒切割后（2英寸切片）增值34美元，切割廠家可得凈利潤1美元；切片成本（除原料晶棒外）無變化；切片價格隨晶棒而動切片經(jīng)研磨和拋光之后（2英寸晶片）增值4美元，磨拋廠家約得凈利潤1美元；晶片成本（除原料切片外）無變化；晶片價格隨切片而動資料來源：XXX部調(diào)研整理藍寶石襯底基本上由國外廠商壟斷。LED供應鏈最上游之藍寶石晶棒長期掌握在外商手中，全球前3大產(chǎn)商俄羅斯的Mono Crystal、美國Rubicon和日本京瓷占全球近7成的產(chǎn)量。藍寶石晶棒主要供貨商還有韓國STC 及臺灣的合晶光電、越峰、尚志及鑫晶鉆等。藍寶石晶片（襯底）的供應方面目前主要有美國的Rubicon、Crystal Systems、法國SaintGobain、俄羅斯Monocrystal、日本的京都陶瓷（Kyocera）、Namiki、Mahk，及臺灣的兆遠、兆晶(奇美、鴻海投資)、晶美、合晶及中美晶等公司。泡生法工藝生長的藍寶石晶體約為目前市場份額的70%。圖表18 藍寶石襯底制造成本構(gòu)成資源來源：Yole Development.LED用藍寶石晶錠(Sapphire Ingot)自2009年出現(xiàn)缺貨潮后，藍寶石晶片(SapphireWafer)價格應聲而漲，目前藍寶石晶片價格較2009年同期增加3倍，較2010年第1季增加約50%，也助長LED封裝等成品價格上升。業(yè)界正努力確保價格及供貨量，2010年底晶片供不應求現(xiàn)象恐將持續(xù)。臺灣LED業(yè)者指出，藍寶石晶片占芯片成本比重約20%至30%，且多以外購為主，供應廠商主要為美國的Rubicon及俄國Monocrystal等，目前臺灣藍寶石晶片自制率約26%，生產(chǎn)廠商包括鑫晶鉆和越峰，中美晶及合晶也積極介入。 市場分析圖表19 全球LED市場規(guī)模增長情況（億元）資料來源：中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院圖表20 中國LED市場規(guī)模增長情況（億元）資料來源：中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 LED襯底產(chǎn)品對比分析圖表21 LED襯底性價比分析應用領(lǐng)域紅黃光LED藍綠光LED外延材料GaP、AlGaAs、AlGaInPGaN襯底產(chǎn)品砷化鎵（GaAs）磷化鎵(GaP)藍寶石碳化硅硅氮化鎵(GaN)氧化鋅（ZnO）導電性　良　良無良良　良　良熱導性（W/cmK）　良　良差（35）優(yōu)（490）良（120）　良　良尺度效應發(fā)光效率穩(wěn)定發(fā)光效率穩(wěn)定發(fā)光效率與芯片面積成反比發(fā)光效率穩(wěn)定發(fā)光效率穩(wěn)定發(fā)光效率穩(wěn)定發(fā)光效率暫不穩(wěn)定熱膨脹系數(shù)106/ ℃　與外延材料匹配　與外延材料匹配與GaN匹配()與GaN匹配()略低()　完全匹配　匹配晶格匹配佳差差中差　佳　佳抗靜電能力　良　良中優(yōu)優(yōu)　良　良成本　　x15x　　產(chǎn)品周期成熟期成熟期成長期成長期開發(fā)期開發(fā)期開發(fā)期次要應用　太陽能電池　軍工窗口片軍工用品太陽能電池　大功率、高頻器件　液晶顯示器基片又稱襯底，也有稱之為支撐襯底。襯底主要是外延層生長的基板，在生產(chǎn)和制作過程中，起到支撐和固定的作用。它與外延層的特性配合要求比較嚴格，否則會影響到外延層的生長或是芯片的品質(zhì)。對于制作LED芯片來說，基片材料的選用是首要考慮的問題。應該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進行選擇。目前市面上GaN基系列一般有三種材料可作為襯底：藍寶石（Al2O3）、硅 (Si)、碳化硅（SiC）。除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAs、AlN（目前還在基礎(chǔ)研究中）、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計的需要選擇使用。(1）藍寶石襯底藍寶石（英文名為Sapphire）的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵形式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。它常被應用的切面有APlane、CPlane及RPlane。由于藍寶石的光學穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性，因此被大量用在光學元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、高熔點（2045℃）等特點，它是一種相當難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍寶石(單晶Al2O3 )C面與ⅢⅤ和ⅡⅥ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石晶片成為制作白/藍/綠光LED的關(guān)鍵材料。1993年日亞化(Nichia)開發(fā)出以氮化鎵（GaN）為材質(zhì)的藍光LED，配合MOCVD(有機金屬氣相沉積)的磊晶技術(shù)，可制造出高亮度的藍光LED。通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石基片上。藍寶石基片有許多的優(yōu)點：首先， 藍寶石基片的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。圖表21示例了使用藍寶石襯底做成的LED芯片。圖表22 LED結(jié)構(gòu)圖使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011Ωcm，在這種情況下無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件；通常只在外延層上表面制作n型 和p型電極（如圖1所示）。在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結(jié)果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN摻雜困難，當前普遍采用在p型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發(fā)光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約30%~40%的光，同時GaN基材料的化學性能穩(wěn)定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設(shè)備，這將會增加生產(chǎn)成本。藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400μm減到100μm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。藍寶石的導熱性能不是很好（在100℃約為35W/（mK））。LED器件工作時，會傳導出大量的熱量，特別是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。為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導熱和導電性能。 (2）硅襯底目前有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Lateralcontact , 水平接觸）和V接觸（Verticalcontact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。 (3）碳化硅襯底SiC是IVIV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的穩(wěn)定固態(tài)化合物，一種重要的半導體材料。它具有優(yōu)良的熱學、力學、化學和電學性質(zhì)，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時又可以用作基于GaN的藍色發(fā)光二極管的襯底材料。用SiC所制功率器件可以承受更高電壓、更大電流、發(fā)光層可以做的更薄，因而工作速度更快，可使器件體積更小、重量更輕。圖表23 采用藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片碳化硅襯底（美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(shù)為490W/mK）要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。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(chǎn)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，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。但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應的成本。另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。 (4）氮化鎵用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。 (5）氧化鋅ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘小）。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。（6） LED用基片（襯底）的選擇LED外延片襯底材料是半導體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導體照明技術(shù)的發(fā)展路線。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于大量生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍寶石和碳化硅襯底。如下圖中所示不同半導體材料對應的LED所發(fā)出的光的顏色：圖表24 不同半導體材料所對應的波長由此可見，氮化鎵基LED在LED行業(yè)中的重要性，用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是藍寶石，其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟，不足方面雖然很多，但均一一被克服：很大的晶格失配被過渡層生長技術(shù)所克服，導電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過雷射劃片所克服，很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂，利用倒裝技術(shù)解決了導熱性能差（藍寶石的透光性能好）。市調(diào)機構(gòu)Yole Developpement發(fā)表研究報告指出，由于LED行業(yè)需求強勁，預期自明年(2011)起藍寶石基片(sapphire substrate)出貨量將占整體化合物半導體(pound semiconductor)基片已處理面積(processed surface area)的50%以上，成為主要的化合物半導體基片材料。另外，由于藍寶石晶體具有獨特性能，藍寶石廣泛應用二極管(LED)、藍光激光器(LD)工業(yè)的基片、紅外窗口和高檔窗口片等。 產(chǎn)品現(xiàn)有生產(chǎn)能力調(diào)查圖表25 全球藍寶石晶棒產(chǎn)能名 稱產(chǎn)業(yè)鏈段與產(chǎn)品目前晶棒年產(chǎn)量（萬毫米）未來動向備注拉晶（晶錠）掏棒（晶棒）切割（切片）磨拋（晶片）美國Rubicon√√√√600預計2011年將擴大產(chǎn)能至650萬毫米晶棒規(guī)模銷售晶棒為主；100多臺單晶爐俄羅斯Monocrystal√√　　480預計2011年增加50萬毫米至530萬毫米晶棒規(guī)模銷售晶棒為主；100多臺單晶爐日本京瓷√√√√450不詳晶棒產(chǎn)能約400500萬毫米之間，以中位數(shù)450萬毫米計算韓國STC√√√√360計劃年底將產(chǎn)能提升至約420萬毫米，且將興建6寸晶棒為主的新廠，預料2011年底產(chǎn)能倍增　臺灣越峰√√√√180計劃在2年內(nèi)將藍寶石單晶產(chǎn)能再擴充2倍，月產(chǎn)能將上看5060萬毫米目前市場占有率約為7%臺灣鑫晶鉆√√√√90預計2011年將單晶爐增加到60臺約40臺單晶爐其他410主要包括日本并木精密、韓國Astek、哈工大奧瑞德、藍晶等合計2570以1mm晶棒切割1片晶片的平均切割率計算，那么2010年市場晶片生產(chǎn)量為2570萬片。圖表 26 大陸具備生產(chǎn)能力的藍寶石襯底企業(yè)公司產(chǎn)業(yè)鏈段與產(chǎn)品目前年產(chǎn)量未來動向備