深度对比半导体照明三条主要技术路线

在LED的制备过程中，上游的衬底材料是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。衬底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间是否匹配，这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。因此，衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石，衬底材料的技术路线必然会影响整个产业的技术路线，是整个产业链的关键。 目前半导体照明主要有三条技术路线，分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线、以美国CREE为代表的碳化硅衬底LED技术路线，以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。2016年1月8日，南昌大学联合晶能光电的江风益团队 硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管 技术项目获得2015年度国家科学技术奖技术发明类**的一等奖，LED业界中国芯的梦想再次被激发。硅衬底技术项目的获奖，说明硅衬底已被国家证实可行，并已提升到国家战略层面。硅衬底或将迎来规模化的商业应用。   图1 LED各种衬底材料的市场占有率(数据来源：YOLE，中信建投证劵研究发展部) 蓝宝石(Al2O3)衬底 2014 年10 月7 日瑞典皇家科学院宣布：赤崎勇、天野浩和中村修二因发明 高效蓝色发光二极管 获得2014 年诺贝尔物理学奖。这3 位科学家的突出贡献在于，1993年他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN 基蓝光LED 的核心技术。20多年来，基于蓝宝石衬底的GaN 基蓝光LED技术和产业发展迅猛，占据了衬底市场90%以上的市场份额，成为目前市场上的主流技术路线。 蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料，蓝宝石具有高温下(2000℃)化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。  蓝宝石衬底也有缺点，比如：**，晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难;第二，蓝宝石是绝缘体，电阻率很大，无法制成垂直结构的器件;第三，通常只在外延层上表面制作N型和P型电极，造成了有效发光面积减少，材料利用率降低;第四，蓝宝石的硬度非常高，仅次于金刚石，难以对它进行薄化和切割;第五，蓝宝石导热性能不是很好，因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量，对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。 目前蓝宝石衬底的技术发展比较成熟，不足方面虽然很多，但都被逐个克服，例如：过渡层生长技术克服了较大的晶格失配问题;采用同侧 P、N 电极克服了导电性能差的问题;不易切割的问题可以通过雷射划片机解决;由于热失配导致的对外延层的压力问题也可以得到解决。不过，江风益认为，蓝宝石衬底很难做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因蓝宝石散热性能差，又难以剥离衬底，故在大功率LED 方面具有性能局限性。 蓝宝石衬底技术以日亚化学、丰田合成为代表。在蓝宝石晶体和晶片制备方面，国外主要集中在日本、美国、俄罗斯等国家，2010 年俄罗斯首次展出了200 mm 蓝宝石晶片。我国相对于国外存在较大差距，代表企业有元亮科技、同人电子、协鑫光电、重庆四联光电、中镓半导体、奥瑞德等。在外延方面，国内除了清华大学、北京大学、南昌大学、中科院半导体所等研究单位外，三安光电、华灿光电、上海北大蓝光、南昌欣磊光电、江西联创光电等企业在进行外延片的生产与研究。 蓝宝石材料目前生产能力过剩，低端市场竞争激烈。为延长LED产业链，应当高起点大力推进蓝宝石图形衬底发展。重点发展纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)、半球形和锥形图形衬底，以及激光诱导湿法刻蚀(LIBWE)、干法刻蚀等技术。同时，推动蓝宝石图形衬底相关的光刻和刻蚀以及相关检测设备、材料等发展。