【導(dǎo)讀】發(fā)光二極管LED藍(lán)寶石襯底的加工制造。工業(yè)企業(yè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告

　　

【正文】 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，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 碳化硅襯底（美國(guó)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(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 30 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， SiC 襯底吸收 380 納米以下的紫外光，不適合用來(lái)研發(fā) 380 納米以下的紫外 LED。 (4）氮化鎵 用于 GaN 生長(zhǎng)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(cuò)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?yàn)閮烧呔w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(shì)壘?。５?， ZnO 作為GaN外延襯底的致命弱點(diǎn)是在 GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO 半導(dǎo)體材料尚不能用來(lái)制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和 P 型摻雜問(wèn)題沒(méi)有得到真正解決，適合 ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)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(dǎo)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(zhǎng)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(dǎo)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(lán)寶石和碳化硅襯底。如下圖中所示不同半導(dǎo)體材料對(duì)應(yīng)的 LED 所發(fā)出的光的顏色： 圖表 24 不同半導(dǎo)體材料所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 31 由此可見(jiàn)，氮化鎵基 LED 在 LED 行業(yè)中的重要性，用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是藍(lán)寶石，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見(jiàn)光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)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(guò)渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過(guò)同側(cè) P、 N 電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過(guò)雷射劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂，利用倒裝技術(shù)解決了導(dǎo)熱性能差（藍(lán)寶石的透光性能好）。市調(diào)機(jī)構(gòu) Yole Developpement發(fā)表研究報(bào)告指出，由于 LED 行業(yè)需求強(qiáng)勁，預(yù)期自明年 (2020)起藍(lán)寶石基片(sapphire substrate)出貨量將占整體化合物半導(dǎo)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(dǎo)體基片材料。另外，由于藍(lán)寶石晶體具有獨(dú)特性能，藍(lán)寶石廣泛應(yīng)用二極管 (LED)、藍(lán)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(lán)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(wàn)毫米） 未來(lái)動(dòng)向 備注 拉晶（晶錠） 掏棒（晶棒） 切割（切片） 磨拋（晶片） 美國(guó)Rubicon √ √ √ √ 600 預(yù)計(jì) 2020 年將擴(kuò)大產(chǎn)能 至650 萬(wàn) 毫米晶棒 規(guī)模 銷售晶棒為主； 100 多臺(tái)單晶爐 俄羅斯Monocryst√ √ 480 預(yù)計(jì) 2020 年增加 50 萬(wàn)毫米 至銷售晶棒為主； 100 多臺(tái) 32 al 530萬(wàn)毫米晶棒 規(guī)模 單晶爐 日本京瓷 √ √ √ √ 450 不詳 晶棒產(chǎn)能約400500 萬(wàn)毫米之間，以中位數(shù) 450萬(wàn)毫米計(jì)算 韓國(guó) STC √ √ √ √ 360 計(jì)劃年底將產(chǎn)能提升至約420 萬(wàn)毫米，且將 興建 6寸晶棒為主的新廠，預(yù)料 2020 年底產(chǎn)能倍增 臺(tái)灣越峰 √ √ √ √ 180 計(jì)劃在 2年 內(nèi)將藍(lán)寶石單晶產(chǎn)能再擴(kuò)充 2倍，月產(chǎn)能將上看 5060萬(wàn)毫米 目前市場(chǎng)占有率約為 7% 臺(tái)灣鑫晶鉆 √ √ √ √ 90 預(yù)計(jì) 2020 年將單晶爐增加到60 臺(tái) 約 40臺(tái)單晶爐 其他 410 主要包括日本并木精密、韓國(guó) Astek、哈工大奧瑞德 、藍(lán)晶 等 合計(jì) 2570 33 以 1mm晶棒切割 1 片晶片的平均切割率計(jì)算，那么 2020 年市場(chǎng)晶片生產(chǎn)量為 2570萬(wàn)片 。 圖表 26 大陸具 備 生產(chǎn)能力的藍(lán)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(lái)動(dòng)向 備注 拉晶（晶錠） 掏棒（晶棒） 切割（切片） 磨拋（晶片） 哈工大奧瑞德 √ √ 約年產(chǎn) 80萬(wàn)毫米晶棒 正在增加單晶爐 年產(chǎn) 45 噸藍(lán)寶石晶體 ；主要供給 軍工，少量外售給民用；改良泡生法 云南藍(lán)晶 √ √ √ √ 約年產(chǎn) 200萬(wàn)毫米晶棒 ，折合200 萬(wàn)片晶片 不詳 約 400 臺(tái)單晶爐， 5臺(tái)切割機(jī) ；提拉法 成都東駿 √ √ 年產(chǎn) 2020毫米 晶棒 正在增加單晶爐 外賣晶棒 ；提拉法 重慶四√ √ √ √ 年產(chǎn) 12 萬(wàn)片晶片 2020年 將形成年產(chǎn)能 120萬(wàn)片 34 聯(lián) 晶片 文登華博 √ 年產(chǎn) 140 萬(wàn)片切片 隨市場(chǎng)增加產(chǎn)能，有可能做回拉晶 為國(guó)內(nèi)晶棒和少量國(guó)外晶棒加工 ；兩臺(tái)切割機(jī) 焦作科瑞斯達(dá) √ 年產(chǎn) 60 萬(wàn)片晶片 不詳 技術(shù)較好 青島嘉星 √ 年產(chǎn) 15 萬(wàn)片晶片 預(yù)計(jì)三年內(nèi)年產(chǎn)能將擴(kuò)大到180 萬(wàn)片 ；2020 年 60萬(wàn)片 購(gòu)買哈工大和國(guó)外晶棒 合計(jì) 國(guó)內(nèi) 年 產(chǎn)量約為 280 萬(wàn)毫米晶棒、287 萬(wàn)片晶片 2020 年產(chǎn)量約為 320萬(wàn)毫米晶棒、 440 萬(wàn)片晶片 晶片 沒(méi)有 計(jì) 哈工大 、 東駿的晶棒 和華博的切片 資料來(lái)源： XXX 部調(diào)研整理 圖表 27 大陸尚未量產(chǎn)的藍(lán)寶石企業(yè) 名 稱 現(xiàn) 狀 未來(lái)動(dòng)向 備注 浙江巨化 停產(chǎn)兩年 現(xiàn)申請(qǐng)恢復(fù)生產(chǎn) 2020年建廠，已能用泡生法量產(chǎn)晶體，因前幾年市場(chǎng)不好而屢陷虧損 35 天津賽法 不詳 不 詳 其前身是美國(guó)晶體技術(shù)有限公司（ AXT）藍(lán)寶石事業(yè)部； 2020 初自稱已能量產(chǎn)，但市場(chǎng)少見(jiàn)其產(chǎn)品 揚(yáng)州華夏 研發(fā)中 不詳 成立于 2020 年，現(xiàn)在主要生產(chǎn)AlGaInP 芯片，藍(lán)寶石晶體尚在研發(fā)中 長(zhǎng)治虹源 建設(shè)中 三至五年擬投資50億以上 由深圳 淼浩公司投資，創(chuàng)建于 2020 年8月，注冊(cè)資本 億元，項(xiàng)目總投資 億元。擬打通產(chǎn)業(yè)鏈 常州歐亞 建設(shè)中 計(jì)劃 12 年內(nèi)年產(chǎn) 120 萬(wàn)片， 35年產(chǎn) 300400 萬(wàn)片 “藍(lán)寶石襯底”項(xiàng)目投資 2 億元；項(xiàng)目二三期投資將超過(guò) 5 億元 興化祥盛 小量生產(chǎn) 不詳 2020年開始與中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所合作研制開發(fā)的 2～ 3 英寸藍(lán)寶石襯底基片； 大慶華泰 建設(shè)中 不詳 2020 年成立大慶迪光，主營(yíng)藍(lán)寶石襯底基片研制 (國(guó)家 863 計(jì)劃引導(dǎo)項(xiàng)目 ) 焦作宏帆 建設(shè)前期 擬年產(chǎn)藍(lán)寶石 10噸 總投資 6026 萬(wàn)元；備案中 連城鑫晶 建設(shè)中 擬年產(chǎn) 85噸晶體 約 200 臺(tái)藍(lán)寶石單晶體生長(zhǎng)爐 天通股份 中試 不詳 擬實(shí)施高效 LED 照明用藍(lán)寶石基板材料中試線項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資不超過(guò) 1億元 德豪潤(rùn)達(dá) 規(guī)劃中 項(xiàng)目還存在較大變數(shù) 擬在淮投資年產(chǎn) 330 噸藍(lán)寶石晶體、450 萬(wàn)片襯底晶圓、 300萬(wàn)片圖形襯底項(xiàng)目。項(xiàng)目投資總額 億元 鹽城協(xié)鑫 建設(shè)中 擬年產(chǎn) 2020萬(wàn)片 總投資 30 億元，上 500 臺(tái)藍(lán)寶石長(zhǎng)晶 36 爐；采用泡生法。 09年在南京簽訂合作協(xié)議 資料來(lái)源： XXX 部調(diào)研整理 產(chǎn)品產(chǎn)量及銷售量調(diào) 查 因?yàn)楫a(chǎn)品供不應(yīng)求，各襯底廠家都在滿負(fù)荷生產(chǎn)，其生產(chǎn)能力基本上代表了其產(chǎn)量和銷售量，見(jiàn)圖表 2 26。 對(duì)晶棒需求量最大區(qū)域是臺(tái)灣和日本地區(qū)，其次是韓國(guó)。臺(tái)灣和韓國(guó)主要購(gòu)買美國(guó)和俄羅斯的晶棒，日本則是自給自足。 從 Rubicon 的 銷售地和 客戶構(gòu)成可以看到， Rubicon 82%的產(chǎn)品銷 往亞洲，來(lái)自臺(tái)灣 （兆遠(yuǎn)、兆晶） 和韓國(guó) （ Iljin Display） 的三大客戶銷售額占比就達(dá)到了 48%。 圖表 28 Rubicon 主要銷售地的銷售額占總銷售比例 2020 年 2020 年 2020 年 2020 上半年 亞洲 72% 53% 72% 82% 北美 26% 44% 25% 15% 歐洲 2% 3% 3% 3% 資料來(lái)源： Rubicon 報(bào)表 圖表 29 Rubicon 主要客戶銷售額占總銷售比例 客戶 2020 客戶 2020 客戶 2020 Crystalwise Technology, Inc. 26% Peregrine Semiconductor Corp. 29% Crystalwise Technology, Inc. 20% Shinkosha Co. Ltd. 21% Shinkosha Co. Ltd. 17% Tera Xtal Technology Corp. 17% Peregrine 15% Crystalwise 12% Iljin 11% 37 Semiconductor Corp. Technology, Inc. Display Co, Ltd. 資料來(lái)源： Rubicon 報(bào)表 替代產(chǎn)品調(diào) 查 目前最有 可能代替藍(lán)寶石襯底的是碳化硅襯底。碳化硅襯底性能要比藍(lán)寶石襯底 優(yōu)越得多（其性能比較見(jiàn)圖表 21），但其昂貴的價(jià)格大大限制了其發(fā)展。 根據(jù)調(diào)查，碳化硅 4H產(chǎn)品（用于軍工） 2 英寸 晶片 價(jià)格為 1 萬(wàn)元 /片 ， 3英寸價(jià)格 3 萬(wàn)元 /片 ， 4英寸價(jià)格 5 萬(wàn)元 /片 ；碳化硅 6H產(chǎn)品（用于 LED 襯底） 2英寸價(jià)格約為 6000 元。 碳化硅襯底主要用于高端或關(guān)鍵應(yīng)用，藍(lán)寶石襯底目前 則 大量用于 高亮度發(fā)光二極管，他們兩個(gè)性能功能各異，各有自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，相信在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)互相取代，而只 會(huì)長(zhǎng)期共存。 客戶需求分 析 客戶 需求因素 （ $APPEALS） 客戶需要和期望 對(duì) 國(guó)內(nèi) 產(chǎn)品的評(píng)價(jià) 對(duì) 國(guó)外產(chǎn)品的評(píng)價(jià) 價(jià)格 比國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格低 B B 可獲得性 無(wú)甚要求，到廠拿貨 B B 包裝 標(biāo)準(zhǔn)真空包裝 S S 性能 性能符合標(biāo)準(zhǔn)，錯(cuò)位密度小 ； 4 英寸圖形晶片將會(huì)得到 A級(jí)評(píng)價(jià) B A 易用性 開盒即用 S S 保障 品質(zhì)一定要穩(wěn)定，一致性要好 ；供應(yīng)鏈要跟得上 B A 生命周期成本 雖然 4英寸 6英寸晶片是未來(lái)需求趨勢(shì)，但 2 英寸晶片會(huì)長(zhǎng)期供給 B A 38 說(shuō)明：客戶對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià) 用三級(jí)尺 度衡量，基本（ B）、滿意（ S）、特別 （ A） ；對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià) 是 指 客戶對(duì) 公司現(xiàn)有產(chǎn)品或 者市場(chǎng)上現(xiàn)有的