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　　技術(shù)發(fā)展和工藝改進(jìn)，使LED成本大幅度下降，推動(dòng)了LED應(yīng)用的全面發(fā)展。為進(jìn)一步提升LED節(jié)能效果，全球相關(guān)單位均投入極大的研發(fā)力量，對(duì)LED性能、可靠性進(jìn)行深入的研究開發(fā)，特別在LED襯底、外延、芯片的核心技術(shù)研究方面，已取得突破性成果。對(duì)LED發(fā)展提出了不同的技術(shù)路線和“終極目標(biāo)”的技術(shù)方案，以及提出新的發(fā)光材料。為此，本文除簡(jiǎn)要描述半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況之外，也重點(diǎn)介紹了LED襯底、外延、芯片核心技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)并探討相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以及降低外延、芯片成本的技術(shù)。

　　一、半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)概況

　　半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)是指LED襯底、外延及芯片相關(guān)的內(nèi)容，這里將簡(jiǎn)要介紹上游產(chǎn)業(yè)的概況及主要技術(shù)指標(biāo)。

　　1.LED襯底概況

　　目前用于LED產(chǎn)業(yè)化的襯底主要有藍(lán)寶石(Al2O3)、SiC和Si，CREE公司用SiC為襯底，東芝公司宣布8″的硅襯底生長(zhǎng)LED將于2013年產(chǎn)業(yè)化，其余的大部分以藍(lán)寶石為主。全球生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底有130多家，其中有80多家是近兩年加入的。2012年的需求量約9600萬(wàn)片(以2″計(jì)算)，其中藍(lán)寶石圖形化襯底(PSS)占70%~80%，目前仍以2″和4″襯底片為主，由于同樣面積的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以預(yù)測(cè)幾年后將以6″為主。由于生產(chǎn)能力過(guò)大，供大于求，致使藍(lán)寶石晶片價(jià)格大幅度下降，大約為每片7~8美元。在藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)上大部分采用A軸向生長(zhǎng)，取出C軸向的晶片，材料利用率過(guò)低，2″為35%左右，6″約為20%。有資料顯示：采用CHES法直接按C軸向生長(zhǎng)，材料利用率可達(dá)75%，而且減少了張力和應(yīng)力，從而降低了襯底晶片的彎曲度和翹曲度，因此，極大提高了藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)效率、晶片質(zhì)量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底，取得了很大成果。

　　中國(guó)生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底的企業(yè)約50家，其中已投產(chǎn)約20家左右，有人統(tǒng)計(jì)，2011年我國(guó)生產(chǎn)能力已達(dá)15000萬(wàn)片/年(以2″計(jì)算)，超過(guò)全球的需求量。而且由于藍(lán)寶石企業(yè)直接生產(chǎn)PSS襯底的不多，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力較差，企業(yè)走向轉(zhuǎn)型、整合、兼并是必然的。另外，還有山東華光采用SiC襯底生長(zhǎng)LED，南昌晶能采用6″的Si襯底生長(zhǎng)LED，均取得較好成果。

　　2.LED外延及芯片產(chǎn)業(yè)概況

　　全球從事LED外延及芯片研發(fā)生產(chǎn)單位約160家，共有MOCVD設(shè)備約3000臺(tái)，2011年生產(chǎn)芯片總量為820億只，2012年為950億只,2012年生產(chǎn)過(guò)剩率達(dá)35%。按4″晶片計(jì)算，生產(chǎn)能力為200萬(wàn)片/月，其中中國(guó)占25.8%、臺(tái)灣21.8%、日本19.2%、韓國(guó)17.3%、美國(guó)11.8%、歐洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″為主，據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)在幾年內(nèi)將以6″晶片為主，會(huì)超過(guò)50%以上。由于外延技術(shù)的不斷發(fā)展，晶片尺寸不斷擴(kuò)大，加上工藝技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，外延片的成本會(huì)大幅度下降。

　　中國(guó)LED外延及芯片企業(yè)約50多家，其中已投產(chǎn)的約36家，正在籌建的有20多家。2012年底已有MOCVD設(shè)備約980臺(tái)，其中大部分以2″為主，2012年芯片的產(chǎn)量超過(guò)1000億只(含小芯片和四元系芯片)，產(chǎn)值達(dá)60億元(另有報(bào)道為80億元)。另外中國(guó)有16家企業(yè)正在研發(fā)制造MOCVD設(shè)備，其中有8家已做出樣機(jī)，并在上游企業(yè)試用，預(yù)計(jì)2013年應(yīng)該有國(guó)產(chǎn)MOCVD設(shè)備正式投產(chǎn)。由于國(guó)內(nèi)LED上游企業(yè)過(guò)多，大部分企業(yè)規(guī)模偏小，缺乏研發(fā)能力和競(jìng)爭(zhēng)力，走向整合、兼并是必然的。

　　3.LED主要技術(shù)指標(biāo)

　　發(fā)光效率作為L(zhǎng)ED標(biāo)志性技術(shù)指標(biāo)，近兩年來(lái)有極大提升，日亞、飛利浦等幾個(gè)大企業(yè)實(shí)驗(yàn)室水平均超過(guò)240lm/W，Cree公司2013年2月宣布實(shí)驗(yàn)室光效達(dá)276lm/W，豐田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片實(shí)現(xiàn)光通量400lm(在較大電流下)，首爾半導(dǎo)體宣布光通量達(dá)500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA電流下)。全球LED產(chǎn)業(yè)化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED產(chǎn)品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED產(chǎn)品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED產(chǎn)品。由于LED技術(shù)迅速發(fā)展，到底LED發(fā)光效率能提升到什么程度才算最后結(jié)果呢?最近有幾種提法，美國(guó)SSL計(jì)劃修定中提到LED光效產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)266lm/W為終極目標(biāo)。三菱化學(xué)提出目標(biāo)：1mm×1mm芯片發(fā)光亮度達(dá)1000lm光通量。日本田村制作提出目標(biāo)：2mm×2mm芯片發(fā)光亮度達(dá)2000~3000lm光通量。上述所提的這些目標(biāo)均可達(dá)到單芯片制作成LED光源。

　　二、LED襯底、外延及芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　近幾年LED技術(shù)發(fā)展迅速，襯底、外延及芯片核心技術(shù)取得突破性進(jìn)展。本章節(jié)將對(duì)這些核心技術(shù)進(jìn)行具體描述，并介紹發(fā)光新材料，進(jìn)一步探索LED上游技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　1.圖形化襯底

　　LED外延現(xiàn)階段普遍使用圖形化襯底(PSS)，PSS目前分為微米級(jí)PSS和納米級(jí)nPSS，微米級(jí)PSS有各種形狀圖形，如正角形、梯形、圓形、橢圓形、半球形、三棱錐形、六棱錐形、火山口形等，圖形高度一般1.1~1.6μm，圓直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術(shù)，2″圓片的成品率為80%~93%，4″圓片為40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用納米壓印技術(shù)，圖形大小約260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用納米光微影(NIL)新技術(shù)，將會(huì)降低nPSS成本，并可適用大晶圓尺寸，為此介紹二種納米級(jí)nPSS。

　　(1)nPSS襯底

　　nPSS采用納米壓印是接觸式，對(duì)納米模板及襯底平行度要求苛刻，脫模、排氣及母版污染等是影響成品率的主要因素，該技術(shù)瓶頸將盡快突破，將成為2013年的主流，nPSS優(yōu)點(diǎn)：LED更高發(fā)光效率，均勻性更好，成本低。如在藍(lán)寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm圓孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來(lái)的三倍。

　　(2)納米柱PSS

　　英國(guó)塞倫公司的新技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上采用獨(dú)特的納米光刻技術(shù)，形成表面的納米柱。該納米柱直徑是幾百納米，在此襯底上外延生長(zhǎng)可緩解應(yīng)力85%，從而大幅度減少缺陷，在不增加成本情況下，可大幅提高發(fā)光亮度，LED光效的產(chǎn)業(yè)化水平可達(dá)200lm/W，并改善Droop效應(yīng)，衰減減緩約30%。

　　小結(jié)：PSS能較大提高LED發(fā)光效率，特別是納米級(jí)nPSS能更大提升LED發(fā)光效率，PSS是現(xiàn)階段LED核心技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)PSS在降低成本方面有不同看法。

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