【技术分享】LED衬底、外延及芯片的技术发展趋势

　　技术发展和工艺改进，使LED成本大幅度下降，推动了LED应用的全面发展。为进一步提升LED节能效果，全球相关单位均投入极大的研发力量，对LED性能、可靠性进行深入的研究开发，特别在LED衬底、外延、芯片的核心技术研究方面，已取得突破性成果。对LED发展提出了不同的技术路线和“终极目标”的技术方案，以及提出新的发光材料。为此，本文除简要描述半导体照明上游产业发展概况之外，也重点介绍了LED衬底、外延、芯片核心技术发展动态并探讨相关技术的发展趋势，以及降低外延、芯片成本的技术。

　　一、半导体照明上游产业概况

　　半导体照明上游产业是指LED衬底、外延及芯片相关的内容，这里将简要介绍上游产业的概况及主要技术指标。

　　1.LED衬底概况

　　目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石(Al2O3)、SiC和Si，CREE公司用SiC为衬底，东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化，其余的大部分以蓝宝石为主。全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中有80多家是近两年加入的。2012年的需求量约9600万片(以2″计算)，其中蓝宝石图形化衬底(PSS)占70%~80%，目前仍以2″和4″衬底片为主，由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以预测几年后将以6″为主。由于生产能力过大，供大于求，致使蓝宝石晶片价格大幅度下降，大约为每片7~8美元。在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长，取出C轴向的晶片，材料利用率过低，2″为35%左右，6″约为20%。有资料显示：采用CHES法直接按C轴向生长，材料利用率可达75%，而且减少了张力和应力，从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度，因此，极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。近几年全球正在研究很多LED的新衬底，取得了很大成果。

　　中国生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约20家左右，有人统计，2011年我国生产能力已达15000万片/年(以2″计算)，超过全球的需求量。而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多，企业的竞争力较差，企业走向转型、整合、兼并是必然的。另外，还有山东华光采用SiC衬底生长LED，南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED，均取得较好成果。

　　2.LED外延及芯片产业概况

　　全球从事LED外延及芯片研发生产单位约160家，共有MOCVD设备约3000台，2011年生产芯片总量为820亿只，2012年为950亿只,2012年生产过剩率达35%。按4″晶片计算，生产能力为200万片/月，其中中国占25.8%、台湾21.8%、日本19.2%、韩国17.3%、美国11.8%、欧洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″为主，据研究机构预测在几年内将以6″晶片为主，会超过50%以上。由于外延技术的不断发展，晶片尺寸不断扩大，加上工艺技术的进一步改进，外延片的成本会大幅度下降。

　　中国LED外延及芯片企业约50多家，其中已投产的约36家，正在筹建的有20多家。2012年底已有MOCVD设备约980台，其中大部分以2″为主，2012年芯片的产量超过1000亿只(含小芯片和四元系芯片)，产值达60亿元(另有报道为80亿元)。另外中国有16家企业正在研发制造MOCVD设备，其中有8家已做出样机，并在上游企业试用，预计2013年应该有国产MOCVD设备正式投产。由于国内LED上游企业过多，大部分企业规模偏小，缺乏研发能力和竞争力，走向整合、兼并是必然的。

　　3.LED主要技术指标

　　发光效率作为LED标志性技术指标，近两年来有极大提升，日亚、飞利浦等几个大企业实验室水平均超过240lm/W，Cree公司2013年2月宣布实验室光效达276lm/W，丰田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片实现光通量400lm(在较大电流下)，首尔半导体宣布光通量达500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA电流下)。全球LED产业化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED产品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED产品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED产品。由于LED技术迅速发展，到底LED发光效率能提升到什么程度才算最后结果呢?最近有几种提法，美国SSL计划修定中提到LED光效产业化水平达266lm/W为终极目标。三菱化学提出目标：1mm×1mm芯片发光亮度达1000lm光通量。日本田村制作提出目标：2mm×2mm芯片发光亮度达2000~3000lm光通量。上述所提的这些目标均可达到单芯片制作成LED光源。

　　二、LED衬底、外延及芯片技术发展趋势

　　近几年LED技术发展迅速，衬底、外延及芯片核心技术取得突破性进展。本章节将对这些核心技术进行具体描述，并介绍发光新材料，进一步探索LED上游技术发展趋势。

　　1.图形化衬底

　　LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS)，PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS，微米级PSS有各种形状图形，如正角形、梯形、圆形、椭圆形、半球形、三棱锥形、六棱锥形、火山口形等，图形高度一般1.1~1.6μm，圆直径2.5~3μm，周期约4μm，采用光微投影及电浆干式蚀刻技术，2″圆片的成品率为80%~93%，4″圆片为40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用纳米压印技术，图形大小约260nm，周期约460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用纳米光微影(NIL)新技术，将会降低nPSS成本，并可适用大晶圆尺寸，为此介绍二种纳米级nPSS。

　　(1)nPSS衬底

　　nPSS采用纳米压印是接触式，对纳米模板及衬底平行度要求苛刻，脱模、排气及母版污染等是影响成品率的主要因素，该技术瓶颈将尽快突破，将成为2013年的主流，nPSS优点：LED更高发光效率，均匀性更好，成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm圆孔的六角形阵列，使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

　　(2)纳米柱PSS

　　英国塞伦公司的新技术，在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术，形成表面的纳米柱。该纳米柱直径是几百纳米，在此衬底上外延生长可缓解应力85%，从而大幅度减少缺陷，在不增加成本情况下，可大幅提高发光亮度，LED光效的产业化水平可达200lm/W，并改善Droop效应，衰减减缓约30%。

　　小结：PSS能较大提高LED发光效率，特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率，PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。2.同质衬底

　　同质衬底是以GaN作衬底，并在此衬底上生长GaN，全球相关研究机构和大企业，如日亚、Cree等均投入很大研发力量，并取得了突破性进展。生长GaN衬底有多种方法，一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法，生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题，衬底厚度约400~500μm，现可产业化。GaN衬底的优点：位错密度低(105~106个/cm2)，内量子效率可达80%以上，生长时间短约2小时，节省大量原材料，可大幅度降低成本(目前衬底较贵)，下面介绍几个主要研究成果。

　　(1)实现高亮度LED

　　丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片，其面积为1mm2，可实现400lm光通量，可以实现单芯片LED的高亮度。

　　(2)HVPE生长GaN衬底产业化

　　三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底，实现产业化可提供2″GaN衬底，厚度450μm左右，位错密度(106~107个/cm2)，三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底，并计划2015年将成本降至目前的十分之一。

　　(3)提高内量子效率

　　日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底，低缺陷密度，内量子效率达90%，在200mA下，其光效达200lm/W，2012年可提供4″GaN衬底，正在加速开发低缺陷的6″衬底。

　　(4)大尺寸GaN衬底

　　住友电工和Soitec合作开发4″和6″GaN衬底，在日本伊丹和法国Bernin建中试生产线，采用晶圆制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN衬底。

　　(5)LiGaO2衬底

　　华南理工大学研发在LiGaO2衬底上采用激光分子束外延(低温工艺)生长非极性GaN衬底，厚度2μm，作为复合衬底生长GaN芯片，要求达到位错密度为1×106/cm2，内量子效率85%，在35A/cm2下，光电转换效率为65%，发光效率为150lm/W。

　　(6)获奖产品

　　美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯，被SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完整性提高1000多倍，能通过更大电流，使每盏灯使用一个LED器件成为可能。

　　小结：采用GaN-on-GaN同质衬底生长LED，其缺陷密度达(105~106/cm2)，可极大提升LED发光效率，而且加大电流密度时droop效应不明显，使普通照明实现采用单芯片LED光源，将LED核心技术推向新台阶。用中村修二的话来小结：我们相信有了GaN-on-GaN LED，我们已经真正地谱写了LED技术新篇章，即LED2.0版。

　　3.非极性、半极性衬底

　　蓝宝石(Al2O3)晶面有极性C面、半极性M面、R面和非极性A面，现普遍采用C面衬底，容易生长。由于晶格失配产生应力，引起内部极化场束缚载流子，以致内量子效率低。采用非极性或半极性衬底，生长难，可大幅度降低缺陷密度。采用非极性衬底生长LED，可作显示屏、电视、手机等背光源，没有取向性，不要外置扩散片。另外还可用于生长绿光LED、激光器和基于GaN的太阳能电池，以下介绍几项主要研究成果。

　　(1)非极性、半极性蓝宝石衬底

　　英国塞伦光电采用非极性蓝宝石上生长LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光转换效率可提高7倍，而且该结构在不同电流下不会发生波长漂移，大幅度提高亮度而有效改善流明/美元值。

　　(2)“npola”LED

　　首尔半导体采用非极性GaN衬底生长LED称为“npola”LED，在1mm2芯片上实现500lm的光通量(在较大电流下)，首尔半导体CEO李贞勋说：同一表面的亮度大幅改善5倍，未来可提高10倍以上，是LED光源的终极目标。

　　(3)非极性GaN衬底

　　三菱化学采用非极性GaN衬底生长蓝光LED，抑制晶格缺陷，其缺陷密度最少仅为1×104/cm2，并在大电流下光输出功率不易下降。计划目标，在1mm2芯片发光亮度可达1000lm光通量。

　　(4)非极性、半极性GaN衬底产业化

　　住友公司宣布已开发半极性、非极性GaN衬底材料，并掌握批量生产技术，可提供制作白光LED的半极性、非极性衬底。

　　(5)紫外LED采用非极性衬底

　　首尔半导体采用非极性GaN衬底开发紫外LED并与R、G、B荧光粉组合可实现高显色指数的白光照明和色彩表现范围大的背光源，计划利用非极性GaN衬底来实现高发光效率的紫外LED。

　　小结：采用半极性、非极性蓝宝石和GaN衬底生长LED的核心技术，已取得突破性进展，有可能在1mm2芯片上实现1000lm光通量，采用单芯片作为一盏LED灯的光源成为可能，同时会极大地提升性价比，改善美元/流明值。

　　4.芯片新结构

　　LED核心技术除了衬底、外延技术外，还有LED芯片结构新技术，目前除了通用的正装芯片结构外，主流的芯片结构还有倒装结构、薄膜结构和垂直结构等。芯片结构设计主要是考虑如何提高外量子效率，即芯片的光取效率，提高芯片散热性能以及在降低成本上进行采用新结构新工艺。芯片有很多种新结构，下面介绍部分成熟的芯片结构和单芯片发白光的新结构。

　　(1)六面体发光芯片

　　六面体发光芯片是较典型的一种结构，指芯片的六个面全部出光，采用多面表面粗化技术，减少界面对光子的反射，减少光子在芯片内部多次反射时被吸收，提高光取率，从而提高外量子效率。

　　(2)DA芯片结构

　　Cree公司利用SiC衬底优势，不断改进芯片结构及工艺，取得了实质性突破。已推出的DA系列产品，采用SiC透明衬底作为发光面，在SiC衬底上制作3D结构，即在SiC基板的外侧设置V字形沟槽，从V字沟槽一侧发光，以增强高折射率SiC衬底的光取效果，而且是大电流倒装芯片，发光层一侧与封装接合，获得高质量的散热性，采用共晶焊、无金线，面积几乎是原来的一半，显著降低成本，实现双倍性价比。并在第三代碳化硅技术SC3平台上，采用匹配的最新封装技术，于2013年2月宣布获得光效达276lm/W(在350mA下，色温4401K)。

　　(3)单芯片白光技术

　　几年前已提出单芯片发多色光的技术方案，但结果不理想。这次三星公司采用纳米级的六角棱锥结构技术做出白光LED，可以实现半极性、非极性衬底上生长GaN，有利于光取的提升，因纳米结构微小能有效降低应变，达到更佳的晶体质量，而且散热性能好。同时发绿光、黄光、红光，其内量子效率分别为61%、45%、29%。实现单芯片发多色光组合白光LED，取得突破性进展。通过改进提高，如实现产业化，将会提高光色质量和避免波长转移引起光能损失，并可减少封装工艺，提高封装可靠性和降低封装成本，成为实现白光LED的另一条技术路线。

　　小结：LED芯片结构研发方面不断有新结构出现，在提高光效、散热性能、降低成本上不断有所突破。更要关注单芯片发多色光组合成白光LED的研发进展，如实现产业化，将是LED照明技术发展中另一条可行的技术路线。5.衬底、外延新技术

　　在LED照明技术发展上有很多是开创性的研究工作，并且已取得可喜的研究成果，以下介绍几种在LED衬底、外延核心技术研究中的新技术。

　　(1)外延偏移生长技术

　　美国加州大学采用掩膜及分层偏移技术生长低位错GaN，如图1所示。

 

图 1 掩膜及分层偏移技术生长低位错 GaN 示意图

　　示意图中SiO2厚200nm，SiNX厚120nm。先低温530℃生长25nm成核层，之后在1040℃下外延GaN，进行偏移生长，阻档位错生长，可获位错密度为7×105个/cm2，可极大提高内量子效率，减少droop效应。在外延上采用创新技术，取得突破性进展，将极大提高LED性能指标，主要是光效和可靠性。这种外延方法也用于制造激光器件。

　　(2)3D硅基GaN技术

　　据“LED科技”2013年3月报道：Aledia公司发布采用3D硅基GaN microwire技术，制造3D硅基LED芯片(有立体芯片结构示意图)的成本仅为传统2D平面LED的五分之一。该技术基于升级了microwire生产工艺，采用大尺寸圆晶和低成本材料的解决方案，该技术已在法国LETI-CEA公司开发6年，可与硅CMOS技术兼容，可直接在现有高性能硅加工厂生产，目前已获融资1000万欧元。

　　(3)氧化β-Ga2O3衬底

　　氧化镓Ga2O3具有多种结构形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β结构最为稳定，禁带宽度为4.8~4.9ev，现已做出高品质、低缺陷密度Ga2O3 MOSFET，具有优异器件潜力。

　　日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga2O3衬底生长GaN蓝光加荧光粉，芯片尺寸2mm×2mm，加6A电流，其可获500lm光通量，计划目标达2000~3000lm。β-Ga2O3具有如下三大优点：其一，β-Ga2O3基板是高导电性，可作垂直结构，低电阻、低热阻，可用大电流驱动。其二，β-Ga2O3基板成本低，采用溶液生长法，比GaN衬底采用HVPE法的气相生长更容易，成本更低。其三，生长的基板质量更高，更适合大尺寸生长。目前已实现β-Ga2O3基板2″片产业化,计划2014年出4″产品，2015年产业化，并进一步开发6″产品。

　　小结：上述介绍几种新技术研究成果，是具有开拓性的创新成果，一旦产业化，将会是颠覆性的技术突破，开辟了LED照明技术发展上另一条重要的技术路线。

　　6.发光新材料

　　随着新材料、新技术的不断发展，出现很多新材料发光体，将来有可能进入照明领域，与LED照明竞争。以下简要介绍几种新发光材料。

　　(1)有机发光二极管(OLED)

　　OLED行业内均有了解，在此不必描述，当前已批量应用于小屏幕显示器，并进军大屏显示和照明领域，目前OLED有效的光效一般在30~60lm/W，并逐步提高，目前很多单位进行OLED照明研发，并取得可喜成果，东芝公司2012年6月发布7×8cm2 OLED照明产品，其光效达90lm/W，可与荧光粉美，将在特种照明领域获得应用。据国外相关机构预测：OLED照明市场规模于2021年将达400多亿美元，另一机构预测于2018年达400亿美元。现阶段主要问题除某些技术外，价格偏高，但前景是乐观的。

　　(2)量子点发光技术

　　量子点(Quantun Dot，QD)是用纳米技术制作的，QD颗粒一般在2~12nm之间，量子点发光体由发光核、半导体壳、有机配位体组成，在电或短波光的激发下会发射不同波长的光，接近连续可见光光谱，QD发光核尺寸越小，发的光越偏蓝光，越大越偏红光，可发出鲜艳的红、绿、蓝光，例如CdSe(硒化)当颗粒2.1nm时发蓝光，当5nm时发射绿光，接近10nm时发射接近红光。量子点发光技术具有很多优点：发射可见光至红外光、比有机物发光更稳定、发光半高宽(FWHM)低于20nm、内量子效率可达90%、与有机传输层混合后可制作量子点LED，即QLED。

　　目前量子点发光效率接近OLED水平，其外量子效率达20%，可进入实用阶段，QD发光具有广泛应用，除了在显示及照明领域外，还可应用于蓝光激光、光感测元件、单电子晶体管、记忆储存等，现阶段QD主要在显示应用上取得显著效果，将最有希望替代OLED。在照明方面与LED结合产生色彩丰富，十分明亮的暖白光。

　　(3)超薄非结晶电介层发光芯片

　　美国德洲农机大学化学工程系开发一种发光芯片、采用在硅晶圆上进行室温溅射沉积方法，制成电介质膜，其中有纳米晶层，可提升发光密度，在工艺中可与硅IC兼容，工艺简单，是个新的纳米发光材料技术。虽然目前发光寿命较短，但将来会更长。

　　小结：上述几种发光新材料，OLED迟早会进入照明领域，而且会在特殊照明领域中占有一定比例。至于量子点及超薄介质中的发光层均为纳米级量子层，是纳米发光新材料。应要高度重视纳米发光技术的研究和开发，将来有可能进入照明领域，并替代LED照明产品。

　　三、降低外延、芯片成本的技术

　　降低外延、芯片成本对推广LED应用至关重要，将推动LED照明产业迅速发展，要降低外延、芯片成本除了规模化生产外，主要在技术创新上下功力。降低外延、芯片成本还有很大潜力，应该从采用新技术、新结构、新工艺着手，使成本大幅度下降。

　　美国SSL计划提出成本目标：LED成本2015年达2美元/klm，2020年达0.7美元/klm，LED成本的终极目标为0.5美元/klm，这也是业内的基本共识，认为是可行的。以下将如何实现这个成本目标的有关设备、技术问题进行探讨。

　　1.提高MOCVD设备性能

　　对现有MOCVD设备要不断进行改进提高，主要是增强设备自动化水平，科学的温度管理和气流控制，改进工艺、缩短生长周期、节省原材料、减少维修率，提高产能、提高外延的稳定性、一致性和成品率等。两个最大的生产企业Veeco和Aixtron对上述问题均做过不同承诺，要不断降低成本，Veeco提出计划用6年时间让外延成本下降3倍。

　　2.大电流密度技术

　　该技术前几年已投入大量研发力量，目前基本成熟，主要是解决外延GaN的晶格完整性，即位错密度低，芯片结构合理，具有较好散热性能，关键是减少droop效应，即在大电流密度下光效较少衰减。目前很多公司均可提供电流大于额定值2~3倍的LED产品，其光效仍可达100lm/W，droop有所下降，还不够理想，必须在技术上进一步改进、创新，使晶格完整性、散热性能有所提高，droop进一步下降，使LED产品在电流密度大于额定值6~7倍以上，光效可达120lm/W以上，droop很小，即可实现普通照明灯具只用1只LED芯片，其亮度相当于60W白炽灯的水平。这样就可以大幅度降低灯具中的LED的成本。

　　3.大圆片技术

　　相关资料显示：如采用4″蓝宝石衬底生长LED的成本为100，那么采用6″衬底生长LED的成本为75%，采用8″硅衬底生长LED的成本为48%，所以采用大圆片技术是降低外延、芯片成本的有效办法，为此介绍这两种大圆片技术。

　　(1)8″硅衬底生长技术

　　全球相关大公司均已投入该技术研发，并取得很好成果，有很大技术难度，主要是由于晶格失配较大，产生应力，在大面积硅片上生长LED产生较大弯曲度、翘曲度，极大影响LED性能，经过多年努力，现已基本解决。Aixtro已推出专门适用于8″硅衬底上生长GaN的AixG5+外延炉，其尺寸为5×200mm，该技术可用现有8″硅生产设备，简化工艺流程，将大幅度降低成本。三星已宣布采用该技术LED内量子效率达65%，普瑞称输出光功率达614mw(在1.1×1.1mm2、300mA下，VF=3.1V)，东芝与普瑞合作，于2012年12月宣布可提供TL1F1系列8″硅衬底生长1W LED芯片，产能为1000万只/月。目前在8″硅衬底上生长LED，由于技术问题、成品率还不高，要在技术上、工艺上不断改进、创新，提高成品率，使其成本达到4″蓝宝石上生长LED的50%左右。

　　(2)6″LED圆片量产引入半导体产业标准

　　现阶段采用6″圆片生长LED的比例还较少，由于采用6″圆片生产成本会比4″圆片减少25%，所以相关部门预测在几年内，采用6″圆片生产LED将占50%以上，将成为主流，现在成品率一般为65~70%，新一代6″设备的成品率会更高，生产成本会降得更多。为了推进6″圆片的产业化进程，正在制定6″圆片自动化量产规模产业标准，该标准的制定和执行，将会节省设备及简化工艺流程，极大地提高生产效率，降低外延、芯片成本。

　　4.提高LED发光效率的性价比

　　以上介绍多种开创性的创新技术成果，如采用PSS衬底、非极性、半极性衬底、芯片新结构、外延新技术等，均为提高LED内量子效率和芯片发光效率，如上所述，假如1只芯片能发射1000~2000lm光通量，并实现产业化，就极大地提高LED发光效率的性价比，将会成倍下降美元/klm值，实现外延、芯片成本的大幅度下降。

　　小结：要降低外延、芯片成本主要从技术创新上下功夫，行内已经预计到现阶段降低外延、芯片成本有很大潜力，国外有关机构预测最近十年，外延成本每年平均下降25%，Strategies Unlimited公司预测2016年LED占灯具成本为5%。

　　四、结束语

　　LED技术的不断发展，其标志性技术指标发光效率实验室水平不断被刷新，已推动LED产业迅速发展。近几年不断有很多开创性的技术研究成果出现，将LED技术发展推向新台阶，要高度重视LED新技术的发展趋势，我们要加强该学科的基础研究工作，逐步掌握LED衬底、外延、芯片的核心技术，不断在技术上、工艺上有所创新，提高LED发光效率的性价比，降低外延、芯片成本，推进LED应用产业的全面发展。