【導讀】發(fā)光二極管LED藍寶石襯底的加工制造。工業(yè)企業(yè)項目可行性研究報告

　　

【正文】 bicon 30% 營收 22983 25477 13345 18400 毛利率 % % % % 凈利率 % % % % 德國Aixtron 60% 營收 187735 239825 264822 302666 毛利率 40% 41% 44% 53% 上游（ 襯底） 下游（封裝 應用） 中游（ 外延片 +芯片 ） ? 產值占比： 1% ? 現(xiàn)有企業(yè) 投資規(guī)模： 3000 萬元以上 ? 產值占比： 9% ? 現(xiàn)有企業(yè) 投資規(guī)模： 1億 元以上、 6000 萬元以上 ； 5000萬元以上、3000 萬元以上 ? 產值： 90% ? 現(xiàn)有企業(yè) 投資規(guī)模：2020萬元以上 20 凈利率 % % % % 中游（外延片 +芯片） 美國Cree 營收 265637 332484 382333 584553 毛利率 % % % % 凈利率 % % % % 中國三安光電 營收 21316 47029 36452 毛利率 % % % 凈利率 % % % 下游（封裝） 臺灣億光電子 營收 21803 24354 24333 17767 毛利率 36% 30% 35% 35% 凈利率 22% 12% 16% 17% 中國國星光電 營收 44387 56672 62791 40682 毛利率 % % % % 凈利率 % % % % 注： 1） Rubicon 公司為全球藍寶石襯底龍頭供應商，晶棒銷售占比 66%，主要銷往亞洲（ 82%）；其和 Monocrystal、京瓷占有全球 70%的市場份額。 2） Aixtron 公司為全球 MOCVD 龍頭供應商，其和 Veeco（ 30%）、大陽日酸占據了 95%以上的份額。 3） Cree 公司為美國外延片和芯片的龍頭供應商，其產品主要采用自產的 SiC 襯底；三安光電為大陸外延片和芯片的龍頭供應商。 4）億光電子為臺灣 LED 封裝龍頭；國星光電為大陸三大 LED 封裝龍頭之一。 5） 全球 LED 龍頭企業(yè)為日本日亞公司，因為 其只出售芯片產品和沒有公開上市，所以無法獲得其資料； 6） 表中數據來源于各公司公開報表，計算匯率采用： 1 美元 = 人民幣， 1 歐元 =人民幣， 1 人民幣 = 日元， 1 人民幣 = 新臺幣。 圖表 15 LED 不同環(huán)節(jié)的平均毛利率 21 資料來源：日信證券研發(fā)部 LED 行業(yè)議價能力 環(huán)節(jié) 襯底制作 設備制造 外延片、芯片 封裝組件 對下游議價能力 強，襯底材料必然會影響整個產業(yè)，是各個技術環(huán)節(jié)的關鍵 強， MOCVD 的供貨能力是 限制LED 芯片公司產能擴張的瓶頸 中高端擁有較強議價能力；低端產能旺盛，議價能力不足 弱，除非 有技術含量的大功率、多芯片封裝 供需 寡頭壟斷，供 給穩(wěn)定 ，需求旺盛 以銷定產，下游需求旺盛 GaN 基芯片產能擴大較快。低檔產品供大于求，高檔產品則價高難求 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 設備廠商， MOCVD 已成為行業(yè)發(fā)展瓶頸。 MOCVD 設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 2020 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。此外，日亞公司和豐田合成的設備主要是自己研發(fā)，其 GaNMOCVD 設備不在市場上銷售，僅供自用。 22 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 全球藍寶石長晶廠家市場份額70%10%10%10%三大廠商：Rubicon、Monocrystal、京瓷韓國：STC、Astek臺灣：越峰、鑫晶鉆其他 資料來源： XXX 部調研整理 圖表 17 藍寶石襯底價值分布圖 資料來源： XXX 部調研整理 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 商 俄羅斯 的 Mono Crystal、美國 Rubicon 和 日本京瓷占全球近 7 成的產量。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、晶 棒 晶片 切 片 2020 年初，臺灣晶棒報價 /毫米（ 2 英寸）； 2020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 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 23 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成 晶體生長 , 52%切片 , 17%研磨 , 6%鉆孔 , 5%拋光 , 15% 資源來源： Yole Development. LED 用藍寶石晶錠 (Sapphire Ingot)自 2020 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 2020 年同期增加 3 倍，較 2020 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， 2020 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） 24 全球 L E D 市場增長情況3 4 9 . 8 3 9 7 . 04 5 6 . 36 2 4 . 89 1 2 . 61 4 6 0 . 62 2 6 3 . 324%13% 15%37%46%60%55%050010001500202025002020 2020 2020 2020 2020 2020 20200%10%20%30%40%50%60%70%市場規(guī)模增長率 資料來源：中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院 圖表 20 中國 LED 市場 規(guī)模 增長情況 （億元） 中國 L E D 市場增長情況1 6 6 . 4 1 8 5 . 52 1 4 . 82 7 9 . 23 8 5 . 46 3 5 . 81 0 2 3 . 719%11%16%30%38%65%61%0200400600800100012002020 2020 2020 2020 2020 2020 20200%10%20%30%40%50%60%70%市場規(guī)模增長率 資料 來源：中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院 LED 襯底 產品 對比分析 圖表 21 LED 襯底性價比分析 應用領域 紅黃光 LED 藍綠光 LED 外延材料 GaP、 AlGaAs、AlGaInP GaN 襯底產品 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 25 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 x 15x 產品周期 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。 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，需要根據設備和 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（目前還在基礎研究中） 、 ZnO等材料也可 作為襯底，通常根據設計的需要選擇使用。 (1）藍寶石襯底 藍寶石 （ 英文名為 Sapp hire） 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 式結合而成 ， 其晶體結構為六方晶格結構 。 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、 26 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 的品質取決于氮化鎵磊晶 (GaN)的材料品質，而氮化鎵磊晶品質則與所使用的藍寶石基板表面加工品質息息相關，藍寶石 (單晶 Al2O3 )C 面與 Ⅲ Ⅴ 和 Ⅱ Ⅵ 族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小 ， 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 的關鍵材料 。 1993 年日 亞 化 (Nic hia)開發(fā)出以氮化鎵 （ GaN） 為材質的藍光 L ED，配合 MOCVD(有機金屬氣相 沉積 )的 磊晶 技術，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， 藍寶石基片的生產技術成熟、器件質量較好；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 結構圖 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 27 外延層中產生大量缺陷，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 1011Ω178。 cm，在這種情況下無法制作垂直結構的器件；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備，這將會增加生產成本。