照明級(jí)LED芯片技術(shù)的發(fā)展

1、從2006年8月，科技部啟動(dòng)“十一五”863計(jì)劃新材料領(lǐng)域“半導(dǎo)體照明工程”重大項(xiàng)目以來(lái)，我國(guó)LED外延材料、芯片制造、器件封裝、熒光粉等方面均已顯現(xiàn)具有自主技術(shù)產(chǎn)權(quán)的單元技術(shù)，部分核心技術(shù)具有原創(chuàng)性，初步形成了從上游材料、中游芯片制備、下游器件封裝及集成應(yīng)用的比較完整的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系。本欄目將陸續(xù)介紹863項(xiàng)目的進(jìn)展，以促進(jìn)科技成果產(chǎn)業(yè)化。半導(dǎo)體照明被譽(yù)為第三代照明技術(shù)并在世界范圍內(nèi)引起廣泛的關(guān)注，其核心技術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域主要是在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的上游，即外延和芯片。近年來(lái)，半導(dǎo)體照明功率型LED芯片技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，半導(dǎo)體照明也將在未來(lái)幾年內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。在所有可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的相關(guān)

2、材料中，氮化鎵（GaN）基材料是最重要的，也是最有希望真正意義上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的材料。GaN基發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode, LED）材料與器件是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)和商業(yè)化的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。國(guó)外半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，Cree、Nichia、Lumileds、Osram等少數(shù)幾家國(guó)外公司是國(guó)際上主流的照明級(jí)LED芯片及器件制造商，他們具有各自獨(dú)特的外延和芯片技術(shù)路線，各家所生產(chǎn)的芯片產(chǎn)品封裝白光器件的發(fā)光效率普遍超過(guò)100lm/W（見(jiàn)表1）。下面簡(jiǎn)要地介紹當(dāng)前各家公司的工藝技術(shù)路線和產(chǎn)品現(xiàn)狀。美國(guó)Cree公司是目前世界上采用SiC作為襯底材料制造藍(lán)光發(fā)光二極管用外延片

3、和芯片的專(zhuān)業(yè)公司之一，其在不斷改善外延品質(zhì)及提高內(nèi)量子效率的同時(shí)，采用了薄膜（Thin-film）芯片技術(shù)大幅度提升產(chǎn)品亮度，薄膜芯片技術(shù)即利用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)將發(fā)光層倒裝在Si襯底上，薄膜芯片技術(shù)可以有效地解決芯片的散熱問(wèn)題和提高取光效率。Cree公司的功率LED芯片產(chǎn)品EZ系列采用薄膜芯片技術(shù)已經(jīng)達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的光效水平，據(jù)2009年底的報(bào)道顯示，Cree冷白光LED器件研發(fā)水平已經(jīng)達(dá)到186lm/W，這是功率型白光LED有報(bào)道以來(lái)的最好成績(jī)。日本Nichia公司是世界上最早的半導(dǎo)體白光生產(chǎn)廠商，技術(shù)水平始終處于國(guó)際領(lǐng)先的地位。在藍(lán)光芯片的技術(shù)路線上，Nichia采用圖形化藍(lán)寶石襯底外延生長(zhǎng)技術(shù)

4、結(jié)合ITO透明導(dǎo)電層芯片工藝，產(chǎn)品性能表現(xiàn)優(yōu)越，特別是小功率芯片，最新的報(bào)道甚至達(dá)到245lm/W的性能指標(biāo)。Nichia的功率型芯片也是基于正裝結(jié)構(gòu)，2008年Nichia公司宣布其功率LED產(chǎn)品光效達(dá)到 145lm/W，芯片規(guī)格為1mm×1mm。德國(guó)Osram公司早期的產(chǎn)品是以SiC作為襯底材料，相繼推出了ATON和NOTA系列產(chǎn)品。近期，Osram的產(chǎn)品和研發(fā)方向也是基于薄膜芯片技術(shù)，其最新研發(fā)的ThinGaN TOPLED采用藍(lán)寶石作為襯底材料，運(yùn)用鍵合、激光剝離、表面微結(jié)構(gòu)化和使用全反射鏡等技術(shù)途徑，芯片出光效率達(dá)到75%。據(jù)最新的報(bào)道，目前，Osram的功率型白光LED光

5、效已經(jīng)達(dá)到136lm/W。美國(guó)Philips Lumileds公司的功率型氮化鎵藍(lán)光LED芯片采用藍(lán)寶石作為外延襯底材料，芯片結(jié)構(gòu)上則一直沿用倒裝結(jié)構(gòu)。隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，Lumileds創(chuàng)造性地整合了倒裝技術(shù)和薄膜技術(shù)，推出了全新的薄膜倒裝芯片（Thin-film Flip-chip,TFFC）技術(shù)，集成芯片和封裝工藝，最大限度降低熱阻并提高取光效率。目前，Lumileds功率型白光的研發(fā)水平已經(jīng)突破140lm/W。美國(guó)SemiLEDs公司是繼Osram和Cree之后采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)商品化生產(chǎn)薄膜GaN垂直結(jié)構(gòu)LED的廠商。他們推出了新型的金屬基板垂直電流激發(fā)式發(fā)光二極管（Metal Ver

6、ticalPhoton Light Emitting Diodes，MvpLEDTM）產(chǎn)品，其封裝成白光器件的發(fā)光效率目前可以達(dá)到120lm/W。韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)目前也在積極發(fā)展照明級(jí)功率型高亮度LED芯片技術(shù)，這些地區(qū)的LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)正快速趕上世界領(lǐng)先水平，且已具備較高的水準(zhǔn)。主要芯片供應(yīng)商有：Epistar（晶元）、EpiValley、Forepi（璨圓）、Huga（廣鎵）等。中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)的產(chǎn)品以中高檔為主，所生產(chǎn)的功率型LED芯片封裝成白光器件的發(fā)光效率一般在80100lm/W，其中臺(tái)灣晶元光電的技術(shù)水平相對(duì)領(lǐng)先，其研發(fā)水平已達(dá)到120lm/W。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)

7、半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展相對(duì)國(guó)外起步較晚，技術(shù)水平離國(guó)際領(lǐng)先業(yè)者還存在一定距離。不過(guò)，最近幾年，在政府有關(guān)部門(mén)的引導(dǎo)和支持下，國(guó)內(nèi)照明級(jí)LED芯片技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化工作取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。特別是在“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃“半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目和“十一五”863計(jì)劃半導(dǎo)體照明工程項(xiàng)目的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)各大LED芯片制造商以及研究所依靠各自科研力量，大力投入對(duì)功率型照明級(jí)LED芯片技術(shù)的開(kāi)發(fā)，技術(shù)水平不斷提升，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程逐步深入，逐漸縮小與國(guó)際領(lǐng)先業(yè)者的差距，取得了一系列令人鼓舞的成果。這期間經(jīng)歷了“外延片從外購(gòu)到自制，芯片結(jié)構(gòu)從正裝到倒裝再到正裝，光效從30lm/W到60lm/W再到1

8、00lm/W”的發(fā)展歷程。目前，國(guó)產(chǎn)功率型照明級(jí)LED芯片產(chǎn)品在光效、壽命以及可靠性等性能方面都取得較大進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出圖形襯底、透明電極和全方位反射鏡等一系列關(guān)鍵工藝技術(shù)。產(chǎn)業(yè)化方面，以三安光電為代表的國(guó)內(nèi)廠商突破了100lm/W的技術(shù)大關(guān)，順利完成了863計(jì)劃課題目標(biāo)。圖1展示了國(guó)內(nèi)上游廠商推出的各種外觀功率型LED芯片，芯片結(jié)構(gòu)全部采用技術(shù)較為成熟且制作成本較低的正裝結(jié)構(gòu)。國(guó)產(chǎn)芯片有望憑借優(yōu)越的性能和極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格優(yōu)勢(shì)在“十城萬(wàn)盞”試點(diǎn)示范工程、大尺寸液晶顯示屏背光以及室內(nèi)通用照明等應(yīng)用領(lǐng)域逐步滲透并最終取代進(jìn)口芯片，推動(dòng)中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈整體的健康發(fā)展和茁壯成長(zhǎng)。三安光電作為國(guó)內(nèi)LED

9、產(chǎn)業(yè)上游的龍頭企業(yè)，非常注重技術(shù)創(chuàng)新，在政府有關(guān)部門(mén)的支持下，加大對(duì)照明級(jí)芯片的研發(fā)和攻關(guān)力度。三安光電在不同的時(shí)期，針對(duì)研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)，并結(jié)合自身需求和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)不同特點(diǎn)的功率型LED芯片產(chǎn)品（如圖2所示）?！笆濉眹?guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃時(shí)期，三安開(kāi)發(fā)出基于雙向齊納硅基板的倒裝焊結(jié)構(gòu)芯片；“十一五”時(shí)期，三安開(kāi)發(fā)了基于圖形襯底、全方位反射鏡等技術(shù)的正裝結(jié)構(gòu)芯片產(chǎn)品，該產(chǎn)品封裝白光器件的最高光效可達(dá)105lm/W，這可以說(shuō)是國(guó)內(nèi)目前所能達(dá)到的最高水平。薄膜結(jié)構(gòu)氮化鎵芯片是三安光電下一步研發(fā)的重點(diǎn)，三安目前已完成垂直薄膜芯片的初樣試制，測(cè)試光效可達(dá)90lm/W。未來(lái)，三安光電將從薄膜氮化鎵芯片的

10、外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；永久襯底的選擇和粘合工藝；生長(zhǎng)襯底的剝離工藝；反射性P電極系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作工藝；氮極性面N型歐姆接觸制作工藝；出光表面的粗化工藝；光子晶體技術(shù)在薄膜芯片的應(yīng)用等七個(gè)方面著手，攻關(guān)150lm/W照明級(jí)薄膜氮化鎵LED芯片技術(shù)并力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。芯片核心技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 從國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體照明功率型LED芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，薄膜結(jié)構(gòu)芯片憑借其一系列優(yōu)越性將會(huì)是未來(lái)照明級(jí)LED芯片技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，照明級(jí)LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展將經(jīng)歷一個(gè)“正裝結(jié)構(gòu)倒裝結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)”的技術(shù)演變。表2列舉了薄膜結(jié)構(gòu)芯片與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)芯片的特點(diǎn)比較，從表中可以看出薄膜結(jié)構(gòu)芯片在發(fā)光效率、散熱性和可集成性等方面有著傳統(tǒng)芯片所不能比擬的優(yōu)越性，這也是國(guó)際大廠爭(zhēng)相布局和研發(fā)的初衷。如圖3所示為L(zhǎng)umileds、Cree和Osram三家國(guó)際大廠所推出的全新薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，其中Cree的EZBright系列的封裝白光器件可以達(dá)到186lm/W的發(fā)光效率，為目前世界范圍內(nèi)有報(bào)道的最佳水平。 當(dāng)然，半導(dǎo)體照明LED芯片技術(shù)是一個(gè)涉及理論設(shè)計(jì)、外延和芯片工藝的