【導(dǎo)讀】 薁裊膄膁蕆襖袃莇莃薀羆膀艿薀肈蒞薈蕿螈膈薃薈羀蒃葿薇肂芆蒞薆膅聿蚄薅襖芅薀薄羆肇蒆蚄聿芃莂蚃螈肆羋螞袁芁蚇蟻肅膄薃蝕膅荿葿蠆裊膂蒞蚈羇莈芁蚈肀膁蕿螇蝿莆蒅螆袂腿莁螅肄莄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈螂肁肈莄螁螀芄芀袀袂肇薈衿羅節(jié)蒄袈膇肅蒀袇袇莀莆袆罿膃蚅袆肁荿薁裊膄膁蕆襖袃莇莃薀羆膀艿薀肈蒞薈蕿螈膈薃薈羀蒃葿薇肂芆蒞薆膅聿蚄薅襖芅薀薄羆肇蒆蚄聿芃莂蚃螈肆羋螞袁芁蚇蟻肅膄薃蝕膅荿葿蠆裊膂蒞蚈羇莈芁蚈肀膁蕿螇蝿莆蒅螆袂腿莁螅肄莄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈螂肁肈莄螁螀芄芀袀袂肇薈衿羅節(jié)蒄袈膇肅蒀袇袇莀莆袆罿膃蚅袆肁荿薁裊膄膁蕆襖袃莇莃薀羆膀艿薀肈蒞薈蕿螈膈薃薈羀蒃葿薇肂芆蒞薆膅聿蚄薅襖芅薀薄羆肇蒆蚄聿芃莂蚃螈肆羋螞袁芁蚇蟻肅膄薃蝕膅荿葿蠆裊膂蒞蚈羇莈芁蚈肀膁蕿螇蝿莆蒅螆袂腿莁螅肄莄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈螂肁肈莄螁螀芄芀袀袂肇薈衿羅節(jié)蒄袈膇肅蒀袇袇莀莆袆罿膃蚅袆肁荿薁裊膄膁蕆襖袃莇莃薀羆膀艿薀

　　

【正文】 （除原料晶棒外）無(wú)變化； 切片價(jià)格隨晶棒而動(dòng) 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(rùn) 1 美元； 晶片成本（除原料切片 外）無(wú)變化；晶片價(jià)格隨切片而動(dòng) 36 手中 ，全球前 3大產(chǎn)商俄羅斯 的 Mono Crystal、美國(guó)Rubicon 和日本京瓷占全球近 7 成的產(chǎn)量。藍(lán)寶石晶棒主要供貨商還有韓國(guó) STC 及臺(tái)灣的合晶光電、越峰、尚志及鑫晶鉆等。 藍(lán)寶石晶片（襯底）的供應(yīng)方面目前主要有美國(guó)的 Rubicon、 Crystal Systems、法國(guó) SaintGobain、俄羅斯 Monocrystal、日本的京都陶瓷（ Kyocera）、Namiki、 Mahk，及臺(tái)灣的兆遠(yuǎn)、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(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體約為目前市場(chǎng)份額 的 70%。 圖表 18 藍(lán)寶石襯底制造成本構(gòu)成 晶體生長(zhǎng) , 52%切片 , 17%研磨 , 6%鉆孔 , 5%拋光 , 15% 資源來(lái)源： Yole Development. 37 LED用藍(lán)寶石晶錠 (Sapphire Ingot)自 2020年出現(xiàn)缺貨潮后，藍(lán)寶石 晶 片 (SapphireWafer)價(jià)格應(yīng)聲而漲，目前藍(lán)寶石晶 片 價(jià)格較 2020年同期增加 3倍，較2020 年第 1 季增加約 50%，也助長(zhǎng) LED 封裝等成品價(jià)格上升。業(yè)界正努力確保價(jià)格及供貨量， 2020年底晶片 供不應(yīng)求現(xiàn)象恐 將 持續(xù)。 臺(tái)灣 LED業(yè)者指出，藍(lán)寶石 晶片 占 芯片 成本比重約 20%至 30%， 且多以外購(gòu)為主，供應(yīng) 廠商主要為美國(guó)的 Rubicon 及俄國(guó) Monocrystal 等 ，目前 臺(tái)灣 藍(lán)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(chǎng)分析 圖表 19 全球 LED市場(chǎng) 規(guī)模 增長(zhǎng)情況 （億元） 全球 L E D 市場(chǎng)增長(zhǎng)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(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率 38 資料來(lái)源：中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 圖表 20 中國(guó) LED市場(chǎng) 規(guī)模 增長(zhǎng)情況 （億元） 中國(guó) L E D 市場(chǎng)增長(zhǎng)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(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率 資料來(lái)源：中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 LED襯底 產(chǎn)品 對(duì)比分析 圖表 21 LED襯底性價(jià)比分析 應(yīng)用領(lǐng)域 紅黃光 LED 藍(lán)綠光 LED 外延材料 GaP、 AlGaAs、AlGaInP GaN 襯底產(chǎn)品 砷化鎵（ GaAs） 磷化鎵(GaP) 藍(lán)寶石 碳化硅 硅 氮化鎵(GaN) 氧化鋅（ ZnO） 導(dǎo)電性 良 良 無(wú) 良 良 良 良 熱導(dǎo)性（ W/cmK 良 良 差（ 35） 優(yōu)（ 490） 良（ 120） 良 良 39 ） 尺度效應(yīng) 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) 179。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(chǎn)品周期 成熟期 成熟期 成長(zhǎng)期 成長(zhǎng)期 開(kāi)發(fā)期 開(kāi)發(fā)期 開(kāi)發(fā)期 次要應(yīng)用 太陽(yáng)能電池 軍工窗口片 軍工用品 太陽(yáng)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 40 是外延層生長(zhǎng)的基板，在生產(chǎn)和制作過(guò)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(yán)格，否則會(huì)影響到外延層的生長(zhǎng)或是芯片的品質(zhì)。 對(duì)于制作 LED芯片來(lái)說(shuō)，基片材 料的選用是首要考慮的問(wèn)題。應(yīng)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(jìn)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(lán)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(jì)的需要選擇使用。 (1）藍(lán)寶石襯底 藍(lán)寶石（ 英文名為 Sapphire） 的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)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(yīng)用的切面有 APlane、 CPlane 及 RPlane。 由于藍(lán)寶石的光學(xué)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(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)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(diǎn)（ 2045℃）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因 41 此常被用來(lái)作為光電元件的材料。目前超高亮度白 /藍(lán)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(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)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(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白 /藍(lán) /綠光 LED 的關(guān)鍵材料 。 1993 年日 亞化(Nichia)開(kāi)發(fā)出以氮化鎵（ GaN）為材質(zhì)的藍(lán)光LED，配合 MOCVD(有機(jī)金屬氣相沉積 )的 磊晶 技術(shù)，可制造出高亮度的藍(lán)光 LED。 通常， GaN 基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基片上。藍(lán)寶石基片有許多的優(yōu)點(diǎn)：首先， 藍(lán)寶石基片的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中；最后，藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底。圖 表 21示例了使用藍(lán)寶石襯底做成的 LED芯片。 圖表 22 LED結(jié)構(gòu)圖 42 使用藍(lán)寶石作為襯底也存在一些問(wèn)題，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷 ，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍(lán)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(wú)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(gè)電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時(shí)增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過(guò)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(dāng)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(kuò)散，以達(dá)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(shí) GaN 基材料的化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度較高，不容易 對(duì)其進(jìn)行刻蝕，因 43 此在刻蝕過(guò)程中需要較好的設(shè)備，這將會(huì)增加生產(chǎn)成本。 藍(lán)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(guò)程中卻需要對(duì)它進(jìn)行減薄和切割（從 400μ m減到 100μ m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(lán)寶石的導(dǎo)熱性能不是很好（在 100℃約為 35W/（ m178。 K））。 LED 器件 工作時(shí)，會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量，特別是對(duì)面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個(gè)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(zhǎng)在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)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(jiǎn)稱為 L型電極和 V 型電極。通過(guò)這兩種接觸方式， LED 芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動(dòng)的，也可以是縱向流動(dòng)的。由于電流可以縱向流動(dòng)，因此增大了 LED 的發(fā)光面積，從而提高了 LED 的出光效率。因?yàn)楣枋菬岬牧紝?dǎo)體， 44 所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長(zhǎng)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(dǎo)體材料。它具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)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(shí)又可以用作基于 GaN 的藍(lán)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(lán)寶石襯底與碳化硅襯底的 LED芯片 45 碳化硅襯底（美國(guó)的 CREE公司專門(mén)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(dòng)的。采用這種襯底制 作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)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(dǎo)熱性能（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為 490W/m178。 K）要比藍(lán)寶石襯底高出 10倍以上。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制作器件時(shí)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(gè)電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)電極直接導(dǎo)出；同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。另外 ，