白皮書 | 硅襯底LED技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用情況及趨勢展望

　　1. 背景

　　目前LED光源器件的總體發(fā)展概況：硅襯底LED近年發(fā)展及對LED光源器件產(chǎn)業(yè)的影響。

　　LED產(chǎn)業(yè)在過去近10年的發(fā)展突飛猛進(jìn)，LED光源器件的性能呈臺階式上升且成本在不斷下降，大部分光源領(lǐng)域基本上都被LED所取代。LED作為第四代光源，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在戶內(nèi)外照明、汽車照明、液晶背光、景觀照明、移動照明等領(lǐng)域。隨著人們消費理念的升級，在一些特殊照明領(lǐng)域，高品質(zhì)光源逐漸顯現(xiàn)出競爭力。高品質(zhì)光源的特點是：發(fā)光角度小、光斑均勻且照度高。硅襯底LED因單面出光、方向性好、光品質(zhì)好等特點在高品質(zhì)光源市場受到不少關(guān)注。

　　那么，目前硅襯底LED技術(shù)、市場現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢究竟如何呢?

　　2. 概述目前硅襯底LED的整體技術(shù)現(xiàn)狀

　　在硅襯底上生長GaN材料面臨著兩大技術(shù)挑戰(zhàn)。第一，硅襯底和GaN之間高達(dá)~17%的晶格失配使得 GaN材料內(nèi)部位錯密度偏高，影響發(fā)光效率;第二，硅襯底和GaN之間高達(dá)~54%的熱失配，使得 GaN薄膜在高溫生長完降至室溫后容易龜裂，影響生產(chǎn)良率。因此，硅襯底和GaN薄膜之間的緩沖層生長極其重要，緩沖層起到降低GaN內(nèi)部的位錯密度、緩解GaN龜裂的作用。很大程度上，緩沖層的技術(shù)水平?jīng)Q定了LED的內(nèi)量子效率和生產(chǎn)良率，是硅襯底LED 的重點和難點。截至目前，經(jīng)過產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界各方巨資研發(fā)投入，這個技術(shù)難關(guān)已經(jīng)基本被攻克。

　　硅襯底會強烈吸收可見光，因此GaN薄膜必須轉(zhuǎn)移至另一個襯底上，轉(zhuǎn)移之前在GaN薄膜和另一個襯底之間插入一層高反射率的反射鏡，使得GaN發(fā)出的光不被襯底吸收。經(jīng)襯底轉(zhuǎn)移后的LED結(jié)構(gòu)在業(yè)界稱為薄膜(Thin-Flim)芯片。薄膜芯片電流擴散、熱傳導(dǎo)和光斑均勻性等方面相比傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)芯片有優(yōu)勢。

　　3. 硅襯底LED優(yōu)勢

　　技術(shù)上主要表現(xiàn)在：襯底材料成本低;器件散熱性好、壽命長;封裝工藝簡單，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn);可用于大尺寸外延，提高生產(chǎn)效率，降低綜合成本。

　　晶能光電生產(chǎn)的硅襯底LED技術(shù)芯片具有如下四大優(yōu)勢：

　　(一)具有原創(chuàng)技術(shù)產(chǎn)權(quán)：產(chǎn)品可銷往國際市場，不受國際專利限制;

　　(二)具有優(yōu)良的性能：器件散熱性好、產(chǎn)品抗靜電性能好，壽命長，可承受的電流密度高;

　　(三)器件封裝工藝簡單：芯片為上下電極，單引線垂直結(jié)構(gòu)，簡單化了封裝工藝，節(jié)約了封裝成本;

　　(四)在方向光和光品質(zhì)等方面具有明顯的特點和優(yōu)勢。

　　基于Si襯底芯片特性的封裝技術(shù)特點：

　　1：結(jié)合Si襯底芯片背鍍金錫工藝，封裝中采用金錫共晶工藝，解決了從芯片到基板的散熱瓶頸;

　　2：采用氧化鋁、氮化鋁陶瓷底板，將芯片推向更高的功率;

　　3：利用Si襯底芯片具有的單面發(fā)光，方向性光強，成功開發(fā)了在wafer片上涂覆熒光粉技術(shù)，實現(xiàn)了白光芯片。將此白光芯片封裝成燈珠，此燈珠具有顏色一致性好，光斑均勻，非常適合移動照明市場;

　　4：因Si襯底具有吸光特性，為了解決此問題，將在芯片周圍圍上特殊的白膠，提升亮度;

　　5： 根據(jù)不同的芯片尺寸，設(shè)計不同的lens，使產(chǎn)品亮度性能最大化;

　　6：開發(fā)了新一代的熒光膜片技術(shù)，優(yōu)化了產(chǎn)品光斑、色區(qū)命中率及降低成本。

　　4. 概述目前硅襯底LED的整體應(yīng)用現(xiàn)狀和市場概況

　　硅襯底LED是垂直結(jié)構(gòu)，電流分布均勻且擴散快，適合大功率應(yīng)用。由于是單面出光，方向性好，光品質(zhì)好，所以特別適合汽車照明、探照燈、礦燈等移動照明、手機閃光燈以及光品質(zhì)要求比較高的高端照明領(lǐng)域。

　　晶能光電硅襯底LED技術(shù)和工藝已然成熟，在硅襯底藍(lán)光LED芯片領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品不斷延伸至性能更高、附加值更高的白光LED芯片、LED手機閃光燈、LED汽車大燈、LED路燈、LED背光等需要方向光、高品質(zhì)出光的照明領(lǐng)域，逐步確立了硅襯底LED芯片在細(xì)分行業(yè)的優(yōu)勢地位。

　　移動照明

　　移動照明市場所用的產(chǎn)品主要是利用Si襯底直涂白光芯片和陶瓷底板等物料，再利用精密的模具在底板上壓膜一個設(shè)計好的lens，擴大出光率。根據(jù)不同的產(chǎn)品功率，可選擇不同白光芯片尺寸和底板材質(zhì)、尺寸來配合，通常有芯片有36mil、45mil、55mil、70mil 等，底板有氧化鋁、氮化鋁之分。此類產(chǎn)品主要是要求照度、光斑均勻。在礦燈，手電等移動照明用燈領(lǐng)域，燈珠的銷量居全球前列。

　　手機閃光燈

　　手機閃光燈市場所用的產(chǎn)品主要是利用Si襯底藍(lán)光芯片和陶瓷底板尺寸為2.0x1.6，并利用靜電噴涂工藝、特制的白膠、壓膜膠等重要工藝做成的。此類產(chǎn)品非常適合用在手機閃光燈上，主要是除了在同等流明值下，中心照度比傳統(tǒng)產(chǎn)品(藍(lán)寶石襯底)高5%左右，且發(fā)光角度小外，另將在壓膜層里添置擴散粉，使發(fā)光顏色更加均勻 ( 如下圖)。

　　目前，已大量應(yīng)用在華為、中興、聯(lián)想、小米、魅族、360等品牌手機應(yīng)用廠家，平均每個月有1000萬臺智能手機在使用晶能光電的 LED手機閃光燈，出貨量居國內(nèi)前列。

　　后裝車燈市場

　　后裝車燈市場主要是追求亮度高，耐高溫、通大電流等，所以用的產(chǎn)品主要是利用大尺寸Si襯底藍(lán)光芯片與氮化鋁陶瓷底板(尺寸為 5.0x5.0)金錫共晶，并利用貼熒光膜或噴涂技術(shù)等重要工藝做成的。如公司產(chǎn)品XM2采用Si襯底80mil藍(lán)光芯片，與5.0x5.0氮化鋁陶瓷底板金錫共晶之后，在芯片上貼一層厚度為50um熒光膜，再壓一個lens，最后進(jìn)行測試、分選、貼帶、入庫。此產(chǎn)品最大可通 3A電流，亮度>1000lm@3A下。再如公司產(chǎn)品HP-50，采用4顆Si 襯底56mil藍(lán)光芯片，與5.0x5.0氮化鋁陶瓷底板金錫共晶之后，在底板上噴一層熒光粉，并芯片在周圍圍上白膠，最后壓一個特別的lens來提供亮度。此產(chǎn)品可以兼顧電壓6V或12V，最大可通3A電流，亮度可達(dá)2000lm。

　　在工業(yè)固化領(lǐng)域，傳統(tǒng)的UV光源中的汞元素會嚴(yán)重污染環(huán)境，用UV LED取代汞燈的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，硅襯底LED也在相應(yīng)的擴大該領(lǐng)域的市場應(yīng)用。

　　5. 目前硅襯底LED尚存在的技術(shù)壁壘及攻克方法

　　如前文所述，盡管在硅襯底上生長GaN之前先生長緩沖層，然而由于硅襯底和GaN材料之間的晶格失配實在太大，導(dǎo)致GaN內(nèi)部的位錯密度仍然偏高。這些位錯是電子和空穴的非輻射復(fù)合中心，影響LED的內(nèi)量子效率。尤其是在高溫下，非輻射復(fù)合幾率顯著增大。為了攻克這個技術(shù)壁壘，需要從設(shè)備制造、襯底制備和生長工藝等方面多管齊下，找到一套解決硅襯底LED的最有效方案。

　　6. 硅襯底LED的發(fā)展趨勢預(yù)測

　　提高光效，降低成本或者說性價比是LED行業(yè)永恒不變的主題。硅襯底薄膜芯片必須封裝之后才能應(yīng)用，封裝的成本占據(jù)了LED應(yīng)用成本較大一部分。跳過傳統(tǒng)封裝，直接在晶圓上做好封裝器件，也就是說在晶圓上做芯片級封裝(chip scale Package， CSP)可以跳過封裝端，直接從芯片端進(jìn)入應(yīng)用端，可以進(jìn)一步降低LED的應(yīng)用成本。CSP是硅上GaN基LED的前景之一。國際大公司如東芝和三星都報導(dǎo)過用硅襯底LED做CSP，相信不久的將來就可以在市場上看到相關(guān)產(chǎn)品。

　　近幾年，LED行業(yè)的另一個熱點是Micro LED即微米級LED。Micro LED的尺寸在幾微米到幾十微米，幾乎和外延生長的GaN薄膜厚度在一個級別。在微米級的尺寸，GaN材料可以不需要支撐，直接做成垂直結(jié)構(gòu)的體GaNLED。也就是說在制備Micro LED的過程中，生長GaN的襯底是必須去除的。硅襯底LED的一個天然優(yōu)勢是硅襯底僅通過化學(xué)濕法腐蝕就可以去除，去除襯底的過程中不會對GaN材料有任何沖擊，可以確保良率和可靠性。從這個角度來看，硅襯底LED技術(shù)在Micro LED領(lǐng)域勢必會有一席之地。

　　7. 典型企業(yè)簡介：晶能光電

　　晶能光電自成立以來，一直從事硅襯底LED外延材料、芯片及器件、下游應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等服務(wù)，于全球率先實現(xiàn)硅襯底LED芯片的量產(chǎn)，具有材料成本低、性能好、可大尺寸規(guī)?；圃斓葍?yōu)勢。其自主創(chuàng)新的硅襯底LED技術(shù)榮獲2015年國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎，打破了日本藍(lán)寶石襯底技術(shù)和美國碳化硅襯底技術(shù)壟斷半導(dǎo)體照明技術(shù)的局面，已成為全球第三條藍(lán)光LED技術(shù)路線。這項技術(shù)的創(chuàng)新從源頭上避開了國外的專利壁壘，現(xiàn)在已經(jīng)申請或擁有340多項專利，包含國際專利47項，分布在美國、歐洲和日本韓國等主要工業(yè)國家，有效抵御了國外專利訴訟，建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品品牌，打開了LED產(chǎn)品出海口的通路，為全球消費者提供全方位的高端LED照明產(chǎn)品和解決方案。

梁伏波 晶能光電 ( 江西 ) 有限公司 總經(jīng)理

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》LED光源器件 顧問