深度對(duì)比半導(dǎo)體照明三條主要技術(shù)路線(xiàn)

　　在LED的制備過(guò)程中，上游的襯底材料是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標(biāo)的主要因素。襯底材料表面的粗糙度、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、極性的影響、表面的加工要求以及與外延材料間晶格間是否匹配，這些因素與高亮度LED的發(fā)光效率與穩(wěn)定性密切相關(guān)。因此，襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石，襯底材料的技術(shù)路線(xiàn)必然會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線(xiàn)，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵。

　　目前半導(dǎo)體照明主要有三條技術(shù)路線(xiàn)，分別是以日本日亞化學(xué)為代表的藍(lán)寶石襯底LED技術(shù)路線(xiàn)、以美國(guó)CREE為代表的碳化硅襯底LED技術(shù)路線(xiàn)，以及以中國(guó)晶能光電為代表的硅襯底LED技術(shù)路線(xiàn)。2016年1月8日，南昌大學(xué)聯(lián)合晶能光電的江風(fēng)益團(tuán)隊(duì)“硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管”技術(shù)項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明類(lèi)唯一的一等獎(jiǎng)，LED業(yè)界中國(guó)芯的夢(mèng)想再次被激發(fā)。硅襯底技術(shù)項(xiàng)目的獲獎(jiǎng)，說(shuō)明硅襯底已被國(guó)家證實(shí)可行，并已提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。硅襯底或?qū)⒂瓉?lái)規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用。

　　圖1 LED各種襯底材料的市場(chǎng)占有率(數(shù)據(jù)來(lái)源：YOLE，中信建投證劵研究發(fā)展部)

　　藍(lán)寶石(Al2O3)襯底

　　2014 年10 月7 日瑞典皇家科學(xué)院宣布：赤崎勇、天野浩和中村修二因發(fā)明“高效藍(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這3 位科學(xué)家的突出貢獻(xiàn)在于，1993年他們突破了在藍(lán)寶石襯底上制備高光效GaN 基藍(lán)光LED 的核心技術(shù)。20多年來(lái)，基于藍(lán)寶石襯底的GaN 基藍(lán)光LED技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，占據(jù)了襯底市場(chǎng)90%以上的市場(chǎng)份額，成為目前市場(chǎng)上的主流技術(shù)路線(xiàn)。

　　藍(lán)寶石具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度高、硬度大、耐沖刷。作為襯底材料，藍(lán)寶石具有高溫下(2000℃)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定好、可見(jiàn)光不易吸收、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

　　藍(lán)寶石襯底也有缺點(diǎn)，比如：第一，晶格失配和熱應(yīng)力失配會(huì)導(dǎo)致外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難;第二，藍(lán)寶石是絕緣體，電阻率很大，無(wú)法制成垂直結(jié)構(gòu)的器件;第三，通常只在外延層上表面制作N型和P型電極，造成了有效發(fā)光面積減少，材料利用率降低;第四，藍(lán)寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，難以對(duì)它進(jìn)行薄化和切割;第五，藍(lán)寶石導(dǎo)熱性能不是很好，因此在使用LED器件時(shí)，會(huì)傳導(dǎo)出大量的熱量，對(duì)面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個(gè)非常重要的考慮因素。

　　目前藍(lán)寶石襯底的技術(shù)發(fā)展比較成熟，不足方面雖然很多，但都被逐個(gè)克服，例如：過(guò)渡層生長(zhǎng)技術(shù)克服了較大的晶格失配問(wèn)題;采用同側(cè) P、N 電極克服了導(dǎo)電性能差的問(wèn)題;不易切割的問(wèn)題可以通過(guò)雷射劃片機(jī)解決;由于熱失配導(dǎo)致的對(duì)外延層的壓力問(wèn)題也可以得到解決。不過(guò)，江風(fēng)益認(rèn)為，藍(lán)寶石襯底很難做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因藍(lán)寶石散熱性能差，又難以剝離襯底，故在大功率LED 方面具有性能局限性。

　　藍(lán)寶石襯底技術(shù)以日亞化學(xué)、豐田合成為代表。在藍(lán)寶石晶體和晶片制備方面，國(guó)外主要集中在日本、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家，2010 年俄羅斯首次展出了200 mm 藍(lán)寶石晶片。我國(guó)相對(duì)于國(guó)外存在較大差距，代表企業(yè)有元亮科技、同人電子、協(xié)鑫光電、重慶四聯(lián)光電、中鎵半導(dǎo)體、奧瑞德等。在外延方面，國(guó)內(nèi)除了清華大學(xué)、北京大學(xué)、南昌大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所等研究單位外，三安光電、華燦光電、上海北大藍(lán)光、南昌欣磊光電、江西聯(lián)創(chuàng)光電等企業(yè)在進(jìn)行外延片的生產(chǎn)與研究。

　　藍(lán)寶石材料目前生產(chǎn)能力過(guò)剩，低端市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。為延長(zhǎng)LED產(chǎn)業(yè)鏈，應(yīng)當(dāng)高起點(diǎn)大力推進(jìn)藍(lán)寶石圖形襯底發(fā)展。重點(diǎn)發(fā)展納米級(jí)圖形化藍(lán)寶石襯底(PSS)、半球形和錐形圖形襯底，以及激光誘導(dǎo)濕法刻蝕(LIBWE)、干法刻蝕等技術(shù)。同時(shí)，推動(dòng)藍(lán)寶石圖形襯底相關(guān)的光刻和刻蝕以及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備、材料等發(fā)展。

　　碳化硅(SiC)襯底

　　SiC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，而且可以用作基于GaN的藍(lán)色發(fā)光二極管的襯底材料，打破了藍(lán)寶石一統(tǒng)天下的局面，尤其在路燈和室外照明領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)潛力。在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 兩種。

　　碳化硅與藍(lán)寶石相比，在結(jié)構(gòu)上，藍(lán)寶石不是半導(dǎo)體而是絕緣體，它只能做單面電極;碳化硅是導(dǎo)電的半導(dǎo)體，它可以做垂直結(jié)構(gòu)。碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能要比藍(lán)寶石高10倍以上;藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制造器件時(shí)底部需要使用銀膠固晶，銀膠的傳熱性能也很差。而使用碳化硅襯底的芯片電極為L(zhǎng)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。

　　在碳化硅襯底領(lǐng)域，美國(guó)Cree幾乎壟斷了優(yōu)質(zhì)碳化硅襯底的全球供應(yīng)，其次是德國(guó)SiCrystal、日本新日鐵、昭和電工、東纖-道康寧。我國(guó)企業(yè)實(shí)力較弱，國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)和加工碳化硅襯底的企業(yè)或機(jī)構(gòu)有北京天科合達(dá)、山東天岳、山東大學(xué)、中科院物理所、中科院上海硅酸鹽所、中國(guó)電子科技集團(tuán)46所等。2015年7月，山東天岳自主研制的一款4英寸高純半絕緣碳化硅襯底產(chǎn)品面世。

　　用碳化硅做光電器件襯底主要挑戰(zhàn)是成本仍相對(duì)較高、技術(shù)門(mén)檻較高和專(zhuān)利技術(shù)不足，面臨著行業(yè)壟斷者的專(zhuān)利威脅。不過(guò)LED市場(chǎng)有高中低端之分，碳化硅襯底LED定位在高端。大功率LED市場(chǎng)需求巨大，碳化硅材料性能優(yōu)越，具有功率大、能耗低、發(fā)光效率高等顯著優(yōu)勢(shì)，可以很好滿(mǎn)足大功率LED需求。

　　硅(Si)襯底

　　硅片作為GaN 材料的襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。

　　由于單晶硅材料生長(zhǎng)技術(shù)成熟度高，容易獲得低成本、大尺寸(6-12 英寸)、高質(zhì)量的襯底，可以大大降低LED 的造價(jià)。并且，由于硅單晶已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，使用單晶硅襯底有望實(shí)現(xiàn)LED 芯片與集成電路的直接集成，有利于LED 器件的小型化發(fā)展。因此使用單晶硅作為L(zhǎng)ED 襯底一直是本行業(yè)夢(mèng)寐以求的事情。此外，與藍(lán)寶石相比，單晶硅在性能上還有一些優(yōu)勢(shì)：熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好，可制備垂直結(jié)構(gòu)，更適合大功率LED 制備。

　　然而與藍(lán)寶石和SiC 相比，在Si 襯底上生長(zhǎng)GaN 更為困難，主要體現(xiàn)在：(1)兩者之間的熱失配和晶格失配更大;(2)Si 與GaN 的熱膨脹系數(shù)差別也將導(dǎo)致GaN 膜出現(xiàn)龜裂;(3)晶格常數(shù)差會(huì)在GaN 外延層中造成高的位錯(cuò)密度;(4)Si 襯底LED 還可能因?yàn)镾i 與GaN 之間有0.5 V 的異質(zhì)勢(shì)壘而使開(kāi)啟電壓升高以及晶體完整性差造成p 型摻雜效率低，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大;(5)Si 吸收可見(jiàn)光會(huì)降低LED 的外量子效率。

　　從1999年第一個(gè)GaN/Si LED出現(xiàn)，到2002 年商品化GaN/Si LED 就已經(jīng)問(wèn)世，但是由于性能與藍(lán)寶石及碳化硅制備的LED相差很大而沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。2010 年德國(guó)Azzurro 公司授權(quán)GaN-on-Si 技術(shù)予德國(guó)OSRAM公司。2013 年4 月日本東芝公司收購(gòu)美國(guó)普瑞光電(Bridgelux) 的技術(shù)，并開(kāi)始8 英寸GaN-on-Si 外延片生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)江西晶能光電公司早在2012 年就宣布批量生產(chǎn)HB-LED 芯片;江西晶瑞光電也已推出了類(lèi)似性能的LED 產(chǎn)品。

　　晶能光電的硅襯底技術(shù)，具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了藍(lán)寶石、碳化硅、硅襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)路線(xiàn)三足鼎立的局面。中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)只有打破國(guó)際巨頭的技術(shù)、專(zhuān)利壟斷，掌握核心技術(shù)，才能真正實(shí)現(xiàn)由“跟隨”到“跨越”的轉(zhuǎn)變。