【導讀】發(fā)光二極管LED藍寶石襯底。加工制造工業(yè)企業(yè)項目

　　

【正文】 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 44 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，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 45 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/m178。 K）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 46 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，是因為兩者晶體結構相同、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業(yè)技術發(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、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發(fā)展路線。用于氮化鎵研究的 47 襯底材料比較多，但是能用于大量生產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所克服，導電性能差通過同側 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，利用倒裝技術解決了導熱性能差（藍寶石的透光性能好）。市調機構 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 (2020)起藍寶石基片 (sapphire substrate)出貨 48 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。 產品現(xiàn)有生產能力調 查 圖表 25 全球 藍寶石晶棒產能 名 稱 產業(yè)鏈段 與產品 目前晶棒年產量（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 2020 年將擴大產能至 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 2020 年增加 50 萬毫米 至 530 萬毫米晶棒 規(guī)銷售晶棒為主； 100多臺單晶爐 49 模 日本京瓷 √ √ √ √ 450 不詳 晶棒產能約 400500萬毫米之間，以中位數(shù) 450萬毫米計算 韓國 STC √ √ √ √ 360 計劃年底將產能提升至約 420 萬毫米，且將 興建6寸晶棒為主的新廠，預料2020 年底產能倍增 臺灣越峰 √ √ √ √ 180 計劃在 2 年內 將藍寶石單晶產能再擴充 2倍，月產能將上看5060萬毫米 目前市場占有率約為 7% 臺灣鑫晶鉆 √ √ √ √ 90 預計 2020 年將單晶爐增加到 60 臺 約 40 臺單晶爐 50 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 2020年市場晶片生產量為 2570 萬片 。 圖表 26 大陸具 備 生產能力的藍寶石襯底企業(yè) 公司 產業(yè)鏈段 與產品 目前年產量 未來動向 備注 拉晶（晶錠） 掏棒（晶棒） 切割（切片） 磨拋（晶片） 哈工大奧瑞√ √ 約年產 80萬毫米晶棒 正在增加單晶爐 年產 45 噸藍寶石晶 體 ；主要供給軍工，少量外售給民用；改良泡生法 51 德 云南藍晶 √ √ √ √ 約年產200 萬毫米晶棒 ，折合 200萬片晶片 不詳 約 400 臺單晶爐， 5 臺切割機 ；提拉法 成都東駿 √ √ 年產 2020毫米 晶棒 正在增加單晶爐 外賣晶棒 ；提拉法 重慶四聯(lián) √ √ √ √ 年產 12萬片晶片 2020 年將形成年產能 120萬片晶片 文登華博 √ 年產 140萬片切片 隨市場增加產能，有可能做回拉晶 為國內晶棒和少量國外晶棒加工 ；兩臺切割機 焦作 √ 年產 60萬片晶片 不詳 技術較好 52 科瑞斯達 青島嘉星 √ 年產 15萬片晶片 預計三年內年產能將擴大到180 萬片 ； 2020年 60 萬片 購買哈工大和國外晶棒 合計 國內 年 產量 約為280 萬毫米晶棒、287 萬片晶片 2020 年產量約為320 萬毫米晶棒、440 萬片晶片 晶片 沒有 計 哈工大 、 東駿的晶棒和華博的切片 資料來源： XXX部調研整理 圖表 27 大陸尚未量產的藍寶石企業(yè) 名 稱 現(xiàn) 狀 未來動向 備注 浙江巨 停產兩 現(xiàn)申請恢復生 2020 年建廠，已能用泡生法量產 53 化 年 產 晶體，因前幾年市場不好而屢陷虧損 天津賽法 不詳 不詳 其前身是美國晶體技術有限公司（ AXT）藍寶石事業(yè)部； 2020初自稱已能量產，但市場少見其產品 揚州華夏 研發(fā)中 不詳 成立于 2020年，現(xiàn)在主要生產AlGaInP 芯片，藍寶石晶體尚在研發(fā)中 長治虹源 建設中 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，注冊資本 ，項目總投資 億元。擬打通產業(yè)鏈 常州歐亞 建設中 計劃 12 年內年產 120萬片，35 年產300400 萬片 “藍寶石襯底”項目投資 2億元；項目二三期投資將超過 5 億元 興化祥盛 小量生產 不詳 2020 年開始與中國科學院上海光機所合作研制開發(fā)的 2～ 3 英寸藍寶石襯底基片； 大慶華泰 建設中 不詳 2020 年成立大慶迪光，主營藍寶石襯底基片研制 (國家 863計劃引導項目 ) 焦作宏帆 建設前期 擬年產藍寶石10 噸 總投資 6026萬元；備案中 54 連城鑫晶 建設中 擬年產 85噸晶體 約 200 臺藍寶石單晶體生長爐 天通股份 中試 不詳 擬實施高效 LED照明用藍寶石基板材料中試線項目，項目總投資不超過 1 億元 德豪潤達 規(guī)劃中 項目還存在較大變數(shù) 擬在淮投資年產 330噸藍寶石晶體、 450 萬片襯 底晶圓、 300 萬片圖形襯底項目。項目投資總額 億元 鹽城協(xié)鑫 建設中 擬年產 2020萬片 總投資 30 億元，上 500 臺藍寶石長晶爐；采用泡生法。 09 年在南京簽訂合作協(xié)議 資料來源： XXX部調研整理 產品產量及銷售量調 查 因為產品供不應求，各襯底廠家都在滿負荷生產，其生產能力基本上代表了其產量和銷售量，見圖表 2 26。 對晶棒需求量最大區(qū)域是臺灣和日本地區(qū)，其次是韓國。臺灣和韓國主要購買美國和俄羅斯的晶棒，日本則是自給自足。 從 Rubicon的 銷售地和 客戶構成可以看到，Rubicon 82%的產品銷往亞洲，來自臺灣 （兆遠、兆晶） 55 和韓國 （ Iljin Display） 的三大客戶銷售額占比就達到了 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% 資料來源： Rubicon報表 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 Semiconductor Corp. 15% Crystalwise Technology, Inc. 12% Iljin Display Co, Ltd. 11% 資料來源： Rubicon報表 56 替代產品調 查 目前最有 可能代替藍寶石襯底的是碳化硅襯底。碳化硅襯底性能要比藍寶石襯底 優(yōu)越得多（其性能比較見圖表 21），但其昂貴的價格大大限制了其發(fā)展。 根據(jù)調查，碳化硅 4H產品（用于軍工） 2英寸 晶片 價格為 1萬元 /片 ， 3英寸價格 3萬元 /片 ， 4英寸價格 5萬元 /片 ；碳化硅 6H產品（用于 LED襯底） 2英寸價格約為 6000元。 碳化硅襯底主要用于高端或關鍵應用，藍寶石襯底目前 則 大量用于 高亮度發(fā)光二極管，他們兩個性能功能各異，各有自己擅長的